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Desenvolvimento de um sistema
supervisório e lógicas de CLP no
ambiente de Geração de Energia
Relatório submetido à Universidade Federal de Santa Catarina
como requisito para a aprovação na disciplina
DAS 5511: Projeto de Fim de Curso
Philipe Kretzer e Castro de Azevedo
Florianópolis, Agosto de 2013
i
Desenvolvimento de um sistema supervisório e lógicas de
CLP no ambiente de Geração de Energia
Philipe Kretzer e Castro de Azevedo
Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina
DAS5511: Projeto de Fim de Curso e aprovada na sua forma final pelo
Curso de Engenharia de Controle e Automação
Prof. Werner Kraus Junior
_______________________ Assinatura do Orientador
ii
Banca Examinadora:
Edson Basquiroto Orientador na Empresa
Prof. Werner Kraus Junior Orientador no Curso
Prof. Rômulo Silva de Oliveira Avaliador
Murilo Araujo Morais Debatedor 01
Marco Aurelio Schmitz de Aguiar
Debatedor 02
iii
Agradecimentos
Por muitas vezes o apoio que precisamos vem de fontes inesperadas, uma
simples conversa com um amigo ou a viagem de trabalho da namorada para a
cidade que desenvolvi o estágio. São a pequenas coisas que nos recarregam a
vontade e determinação para continuar.
Primeiramente, eu agradeço a minha família por todo o apoio demonstrado, e
por sempre acreditar no meu potencial, principalmente nos momentos que duvidei
de minha capacidade. Sem o auxilio dos meus pais e irmãos nunca poderia concluir
este projeto.
Agradeço a minha namorada Isabelle da Silva, por sempre me apoiar e por
entender todos os finais de semanas de estudos no laboratório para as provas de
controle deste curso.
Agradeço aos meus amigos de curso, Rafael Sartori pelos inúmeros
ensinamentos em sinais e realimentados, Rafael Fazolin pelos inúmeros trabalhos e
laboratórios em conjunto, Marcelo Balen pelo apoio em praticamente todas as
matérias e pela grande amizade durante esses seis anos de curso, Mario Zucco
pelas conversas e aconselhamento e principalmente pela amizade. Um
agradecimento especial ao Augusto Westphal que sempre me deu apoio, conselhos
e sempre esteve presente mostrando o valor dessa grande amizade.
Agradeço aos engenheiros Edson Basquiroto e Guilherme Siviero pelos
ensinamentos e orientação profissional na WEG, mostrando o caminho e sempre
disponíveis para qualquer questionamento e mostrando de forma claro o como e
porque dos desenvolvimentos.
Aos prezados professores do curso de Engenharia de Controle e Automação
da UFSC, que sempre estiveram disponíveis para qualquer duvida da mais simples
a mais complexa, estando sempre disposto para nos ensinar e orientar em nossas
futuras carreiras. Em especial ao professor Werner Kraus Junior, que dedicou seu
precioso tempo a orientar-me neste trabalho.
iv
Todas foram de grande importância para a conclusão deste projeto, não
apenas neste trabalho de conclusão de curso, mas em toda a minha trajetória. No
ensino médio, por acreditarem no meu sucesso no vestibular quando eu mesmo já
não acreditava. Durante o curso, que por muitas vezes duvidas surgiram,
principalmente na escolha de onde ir para fazer PFC.
A todos o meu muito obrigado!
v
Resumo
A WEG foi fundada no dia 16 de setembro de 1961, com o intuito de fabricar
motores elétricos. Em 1988, foi criada a WEG Automação, esta unidade de negócio
da empresa surge com uma linha de atuação voltada para mecanismos industriais
utilizados principalmente para atividades insalubres, como servomecanismos e
robôs. Posteriormente, em 1993 a WEG Automação assume a fabricação,
desenvolvimento e comercialização dos produtos WEG voltada para a automação
industrial. Atualmente, seus produtos estão direcionados à automação industrial e
controle de processos. As atividades abrangem, além do desenvolvimento de
produtos eletrônicos, o projeto e implantação de sistemas de automação, também
incluem a supervisão para processos industriais. A empresa, chilena localizada em
Lautaro na VIII região, contratou a WEG Automação para projetar e implementar um
sistema supervisório para uma central termoelétrica. Este projeto é de
responsabilidade do departamento de projetos elétricos mecânicos, enquanto que o
software é desenvolvido na seção de software aplicativo, no qual este trabalho se
desenvolveu. Primeiramente, é feito um estudo a respeito do descritivo do problema
que foi entregue pela empresa contratante. A partir disto, verificam-se as definições
de hardware necessárias para iniciar a elaboração do projeto. Em paralelo é feito o
desenvolvimento das telas de supervisório e das lógicas dos CLPs. O supervisório é
desenvolvido inteiramente pela WEG, porém dos seis CLPs que consiste o sistema
apenas três serão desenvolvidos pela WEG: os CLPs do sistema
Caldeira/Alimentação de Biomassa (dois CLPs trabalhando de forma redundante) e
o CLP do gerador. Os CLPs da turbina, do BMS e do Filtro de Mangas serão
desenvolvidos pelos fabricantes das mesmas cabendo ao presente projeto apenas
integrá-los no sistema supervisório. Após o fim do desenvolvimento do supervisório
e das lógicas de CLP resta como perspectiva futura o Start-up que está programado
para janeiro de 2013.
Palavras-chave: sistemas SCADA; controle supervisório; controladores
lógicos programáveis; sistema de geração de energia; termoelétrica.
vi
Abstract
WEG was founded in 1961 with the intent to manufacture electric motors.
WEG Automation was created in 1988. This company division starts as a maker of
industrial mechanisms used mainly in hazardous activities, such as
servomechanisms and robots. Afterwards in 1993, WEG Automation assumes the
manufacturing, development and marketing of WEG industrial automation products.
Currently, its products are targeted to industrial automation and process control. The
activities include, in addition to the electronic product development, the design and
implementation of automation systems. Supervision for industrial processes is
included in the activities as well. A chilean company located in the city of Lautaro
contracted WEG Automation to design and implement a supervisory system for a
thermal power plant unit. This project is under the responsibility of the mechanical-
electrical projects department. The software, however, is developed in the software
applications section where this work was developed. Firstly, a study is made
regarding the problem description delivered by the contracting company. From this,
the necessary hardware specifications are checked to begin the project
development. Meanwhile, the supervisory screens and PLCs logics are developed.
The supervisor is fully developed by WEG, but from the system's six PLCs only three
will be developed by WEG: PLCs of the Boiler system / Biomass Alimentation (two
PLCs working redundantly) and the generator PLC. The turbine, BMS and Mangas
Filter PLCs will be developed by their own manufacturers. In the context of this
project, only their integration into the supervisory system is under WEG
responsibility. After the supervisory and CLP logics development a future perspective
is the Start-up scheduled for January 2014.
Keywords: SCADA, supervisory control, programmable logic controllers,
power generation system, thermal power plant.
vii
Sumário
Agradecimentos ............................................................................................... iii
Resumo ............................................................................................................ v
Abstract ........................................................................................................... vi
Sumário .......................................................................................................... vii
Lista de Figuras .............................................................................................. xii
Lista de Tabelas ............................................................................................ xiv
Simbologia ...................................................................................................... xv
Capítulo 1: Introdução ...................................................................................... 1
1.1: Objetivo .................................................................................................. 3
1.2: Justificativa ............................................................................................ 3
1.3: Metodologia ........................................................................................... 4
1.4: Organização Documento ....................................................................... 4
Capítulo 2: Local de estágio ............................................................................. 6
2.1: Organização da empresa ....................................................................... 7
2.2: WEG Automação ................................................................................... 9
2.3: Departamento de Projetos Elétricos Mecânicos .................................. 10
2.4: Seção de Software Aplicativo .............................................................. 11
Capítulo 3: Sistema de Geração de Energia .................................................. 14
3.1: Introdução ............................................................................................ 14
3.2: Sistema de Alimentação de Biomassa ................................................ 15
3.2.1: Transporte de fardos de palha ...................................................... 15
3.2.2: Alimentação de palha à caldeira ................................................... 16
viii
3.3: Sistema de Refrigeração ..................................................................... 17
3.3.1: Controle de nível do tanque .......................................................... 18
3.3.2: Gerenciamento do circuito de refrigeração ................................... 19
3.3.3: Controle de nível das comportas ................................................... 19
3.4: Sistema de evacuação de escorias ..................................................... 19
3.5: Sistema de Purgas da Caldeira ........................................................... 20
3.6: Sistemas dos sopradores .................................................................... 21
3.7: Ventilador de Inserção de Ar ............................................................... 22
3.7.1: Parada do Ventilador ..................................................................... 22
3.7.2: Controle de Pressão de Ar de Combustão .................................... 23
3.8: Ventilador de Exaustão ........................................................................ 23
3.8.1: Parada do Ventilador ..................................................................... 23
3.8.2: Controle de Pressão da Fornalha.................................................. 24
3.9: Caldeira ................................................................................................ 24
3.10: Turbina Shin Nipon ............................................................................ 25
3.11: Gerador .............................................................................................. 26
Capítulo 4: Requisitos e Controle do Sistema ................................................ 28
4.1: Sistema Principal de Controle da Caldeira .......................................... 28
4.1.1: Laços de Controle ......................................................................... 28
4.2: Controle de Nível e Vazão de Água no Balão de Vapor ...................... 31
4.2.1: Seleção da medida de nível (3 transmissores) ............................. 31
4.2.2: Controle de nível do balão de vapor a um elemento (LIC-A) ........ 32
4.2.3: Controle de nível do balão de vapor (LIC-B) (3 elementos) .......... 32
4.2.4: Correção do Fluxo de Vapor ......................................................... 33
4.2.5: Controle diferencial de pressão ..................................................... 34
ix
4.2.6: Falha na Válvula de Controle Pneumático .................................... 34
4.2.7: Falha em ambas as válvulas motorizada e pneumática ................ 35
4.3: Distribuição do Ar de Combustão ........................................................ 35
4.3.1: Correção de Oxigênio .................................................................... 35
4.3.2: Correção por Variação de Temperatura dos Gases de Saída ...... 36
4.3.3: Distribuição de Ar Total ................................................................. 36
4.3.4: Controle de Fluxo de Ar primário ................................................... 36
4.3.5: Controle de Fluxo de Ar Secundário ............................................. 37
4.4: Temperatura de Vapor Superaquecido ................................................ 37
4.4.1: Controle de Temperatura Final (Principal) .................................... 38
4.4.2: Controle Atemperador Primário ..................................................... 38
4.4.3: Controle Atemperador Secundário ................................................ 39
4.4.4: Intertravamento do Controle de Temperatura de Vapor ................ 39
4.5: Sistema BMS (Burn Manager System) ................................................ 39
4.5.1: Funcionalidades do Sistema BMS................................................. 40
4.5.2: Funcionamento do Queimador a Diesel ........................................ 41
4.5.3: Condições para Acendimento do Queimador (Caldeira a Frio) ..... 44
4.5.4: Acendimento do Queimador com Caldeira a Frio ......................... 44
4.5.5: Arranque do Queimador com Carga de Incêndio na Fornalha ...... 45
4.5.6: Condições para Funcionamento do Queimador ............................ 45
4.5.7: Sequência de Parada de Caldeira................................................. 46
4.6: Controle Sincronização da rede elétrica .............................................. 46
4.6.1: Proteção ........................................................................................ 48
Capítulo 5: Controlador Lógico Programável .................................................. 49
5.1: Introdução ............................................................................................ 49
x
5.2: Software ............................................................................................... 50
5.3: Hardware Utilizado ............................................................................... 51
5.3.1: CLP Caldeira/Alimentação de Biomassa ....................................... 51
5.3.2: CLP Gerador ................................................................................. 52
Capítulo 6: SCADA ......................................................................................... 54
6.1: Introdução ............................................................................................ 54
6.2: Componentes físicos de um sistema de supervisão ............................ 55
6.3: Componentes lógicos de um sistema SCADA ..................................... 56
6.4: Funções do sistema SCADA ............................................................... 57
6.5: Elipse E3 .............................................................................................. 58
6.6: Driver de Comunicação........................................................................ 59
6.7: Gerenciamento de Dados .................................................................... 59
6.8: Servidor de Alarmes ............................................................................ 60
6.9: Redes de Comunicação ....................................................................... 60
6.9.1: Hot Standby ................................................................................... 61
6.9.2: Comunicação com os CLPs .......................................................... 61
Capítulo 7: Sistema Implementado ................................................................ 63
7.1: Programação dos CLPs ....................................................................... 63
7.2: Sistema Supervisório ........................................................................... 66
7.3: Telas Criadas ....................................................................................... 68
7.3.1: Tela de Abertura ............................................................................ 68
7.3.2: Estrutura das Telas ....................................................................... 69
7.3.3: Alarmes e Eventos ........................................................................ 71
7.3.4: Gráficos ......................................................................................... 72
7.3.5: Engenharia .................................................................................... 73
xi
7.3.6: Manejo de Paja ............................................................................. 73
7.3.7: Caldeira ......................................................................................... 76
7.3.8: Serviços Auxiliares ........................................................................ 79
7.3.9: Diagrama unifilares ....................................................................... 82
7.3.10: Turbina ........................................................................................ 83
7.3.11: Gerador ....................................................................................... 85
7.3.12: Controle de Carga ....................................................................... 86
7.3.13: Arquitetura ................................................................................... 87
7.3.14: Relatórios .................................................................................... 88
Capítulo 8: Conclusões e Perspectivas .......................................................... 89
Bibliografia: ..................................................................................................... 91
xii
Lista de Figuras
Figura 1 - Distribuição das Fábricas, Escritórios, Distribuidores e Representantes. ... 6
Figura 2 – Imagem do P&ID do sistema de Alimentação .......................................... 16
Figura 3 - Imagem do P&ID da linha de alimentação. ............................................... 17
Figura 4 - Imagem do P&ID da Refrigeração ............................................................ 18
Figura 5 - Imagem do P&ID do sistema de evacuação de escorias .......................... 20
Figura 6 - Figura típica com detalhes das diferentes seguranças da caldeira e do
queimador. ................................................................................................................ 41
Figura 7 – Tela de visualização do queimador operando na IHM do BMS ............... 43
Figura 8 - Visão geral de um sistema de geração de energia ................................... 48
Figura 9 - Ciclo básico do CLP .................................................................................. 49
Figura 10 - Arquitetura de Comunicação. ................................................................. 61
Figura 11 - Ambiente de Programação do CLP Rockwell. ........................................ 64
Figura 12 - Diagrama de Controle. ............................................................................ 65
Figura 13 - Tela de Abertura ..................................................................................... 68
Figura 14 - Pop-up do Login ...................................................................................... 69
Figura 15 – Tela Padrão............................................................................................ 70
Figura 16 - Botões da barra de contexto ................................................................... 70
Figura 17 - Tela Alarmes Online ............................................................................... 72
Figura 18 - Tela de Gráficos ...................................................................................... 73
Figura 19 - Tela Transporte ....................................................................................... 74
Figura 20 - Tela da linha central de alimentação ...................................................... 75
Figura 21 - Tela de refrigeração ................................................................................ 75
Figura 22 - Tela do sistema de Água e Vapor da caldeira ........................................ 76
xiii
Figura 23 - Tela de Combustão da caldeira .............................................................. 77
Figura 24 - Tela dos sopradores de fuligem .............................................................. 77
Figura 25 - Tela dos ciclos dos sopradores .............................................................. 78
Figura 26- Tela filtro de mangas ............................................................................... 78
Figura 27 - Tela do Queimador ................................................................................. 79
Figura 28 - Tela das torres de resfriamento .............................................................. 80
Figura 29 - Tela de Abastecimento de água ............................................................. 81
Figura 30 - Tela de Riles ........................................................................................... 81
Figura 31 - Tela diagrama unifilar geral 1 ................................................................. 82
Figura 32 - Tela diagrama unifilar geral 2 ................................................................. 83
Figura 33 - Tela da pressão, temperatura e vibração da turbina. ............................. 83
Figura 34 - Tela de vapor da turbina ......................................................................... 84
Figura 35 - Tela do condensador .............................................................................. 85
Figura 36 - Tela do circuito de óleo da turbina .......................................................... 85
Figura 37 - Tela do Gerador ...................................................................................... 86
Figura 38 - Tela de controle de Carga ...................................................................... 87
Figura 39 - Tela da arquitetura do sistema ............................................................... 87
Figura 40 - Tela de relatórios .................................................................................... 88
xiv
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Unidades Produtivas do Grupo WEG ........................................................ 8
Tabela 2 - Unidades WEG fora do Brasil .................................................................... 8
Tabela 3 - Tabela paramétrica do poder calorífico .................................................... 36
xv
Simbologia
CLP – Controlador Lógico Programável
SCADA – Supervisory control and data acquisition (Sistema de supervisão e
Aquisição de Dados)
BMS – Burn Manager System (Sistema de Gerenciamento de Queima)
PV – Point Value (Valor pontual ou valor no ponto)
SP – Set-Point (ponto de referência)
MV – Manipule Value (Valor Controlado)
IHM – Interface Homem Maquina
P+I – Controlador Proporcional Integral
TRIP – Corresponde a uma parada do sistema, emergencial ou manual.
DSLC – Digital Synchronizer and Load Control
MSLC – Master Synchronizer and Load Control
CCM – Centro de Comando de Motores
PID – Controlador Proporcional-Integral-Derivativo
OPC – OLE for Process Control
POP-UP’s – Janela de proporção menor que uma tela
UTRs – Unidades Terminais Remotas
Start-up – Posta em Marcha ou comissionamento de um sistema
1
Capítulo 1: Introdução
A Automação é a aplicação de técnicas, softwares e/ou equipamentos
específicos em uma determinada máquina ou processo industrial, com o objetivo de
aumentar a sua eficiência, maximizar a produção com o menor consumo
de energia e/ou matérias primas, diminuir a emissão de resíduos de qualquer
espécie, melhorar as condições de segurança, seja material, humana ou das
informações referentes a esse processo, e ainda reduzir o esforço ou a interferência
humana sobre um processo ou máquina. É um passo além da mecanização, no qual
operadores humanos são providos de maquinaria para auxiliá-los em seus trabalhos
[3].
Entre os dispositivos eletroeletrônicos que podem ser aplicados estão
os computadores e/ou outros dispositivos capazes de efetuar operações lógicas,
como os controladores lógicos programáveis - CLP, micros controladores e etc.
Estes equipamentos, em alguns casos, substituem tarefas humanas ou realizam
outras que os mesmos são incapazes de realizar.
A Automação industrial visa, principalmente, a produtividade, qualidade e
segurança em um processo. Em um sistema típico, toda a informação dos sensores
é concentrada em um controlador programável, o qual de acordo com o programa
em memória define o estado dos atuadores.
Uma contribuição adicional importante dos sistemas de Automação Industrial
é a conexão do sistema de supervisão e controle com sistemas corporativos de
administração das empresas. Esta conectividade permite o compartilhamento de
dados importantes da operação diária dos processos, contribuindo para uma maior
agilidade do processo decisório e maior confiabilidade dos dados que suportam as
ações dentro da empresa para assim melhorar a produtividade.
Com o aumento da automação nos processos industriais existe a
necessidade de gerenciamento das informações geradas pelo processo. È neste
contexto que os sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados, ou
abreviadamente SCADA (proveniente do seu nome em inglês Supervisory Control
2
and Data Acquisition) são sistemas que utilizam software para monitorar e
supervisionar as variáveis e os dispositivos de sistemas de controle conectados
através de controladores (drivers) específicos.
Os primeiros sistemas SCADA permitiam apenas o monitoramento de sinais
representativos e estados de dispositivos. Atualmente, os sistemas de automação
industrial utilizam tecnologias de computação e comunicação para automatizar a
monitoração e controle dos processos industriais, efetuando coleta de dados em
ambientes complexos, eventualmente dispersos geograficamente, e a respectiva
apresentação de modo amigável para o operador, com recursos gráficos elaborados
(interfaces homem-máquina) e conteúdo multimídia. [5]
A demanda por energia elétrica aumenta a cada ano, tanto para a utilização
domestica como para a industrial. Este fato ocasiona um problema de “escassez” de
energia em todo o Brasil e a partir da década de 90 o governo permitiu a geração de
energia pelas empresas privadas.
Atualmente, a prioridade de qualquer empresa no mundo é a redução de
custos, tendo em vista a alta concorrência e competitividade do mercado. Assim, as
empresas buscam formas alternativas de diminuir custo e aumentar o lucro.
Tendo esses dois pontos, a solução identificada é a geração de energia
através de uma central termoelétrica, a qual é definida como processo de produção
combinada de calor e energia elétrica (ou mecânica), a partir de um mesmo
combustível, capaz de produzir benefícios sociais, econômicos e ambientais. A
central termoelétrica contribui efetivamente para a racionalização energética, uma
vez que possibilita a maior produção de energia elétrica e térmica a partir da mesma
quantidade de combustível. [2] No caso deste projeto a fonte de combustível
renovável é a palha de trigo. É importante ressaltar que esta forma de combustível é
uma fonte renovável, o que agrega valores a empresa no que tange o meio
ambiente.
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de lógicas de CLP e do
sistema de supervisão e controle de um sistema de geração de energia, localizado
no Chile na cidade de Lautaro na VIII região, e seu desenvolvimento ocorreu na
3
WEG.
O Grupo WEG é constituído por cinco Unidades de Negócios: Automação,
Energia, Motores, Transmissão e distribuição e Tintas. O quadro fabril da
multinacional brasileira é bem diversificado. Abrange a produção de motores
elétricos, geradores, transformadores, acionamentos, inversores de frequência,
soluções para automação de processos, tintas, vernizes e resinas. [2]
A Seção de Software Aplicativo é a responsável pelo desenvolvimento de
lógicas de CLPs e sistemas SCADA, que faz parte do Departamento de Projetos
Elétricos e Mecânicos da unidade WEG Automação.
1.1: Objetivo
O objetivo deste Projeto de fim de curso é o desenvolvimento de um sistema
de supervisão e controle para um sistema de geração de energia, através da
programação das lógicas de CLP e do sistema supervisório.
Para um melhor entendimento pretendem-se mostrar o funcionamento de um
sistema de geração como um todo iniciando na alimentação da caldeira até a
sincronização da energia gerada com o a rede de abastecimento. No decorrer deste
trabalho será explicitado sobre as malhas de controle envolvidas no processo,
dando assim uma maior ênfase ao que tange o escopo do curso de Engenharia de
Controle e Automação.
1.2: Justificativa
A automatização do sistema de geração de energia é essencial para atingir
altos níveis de rendimento na combustão e maior confiabilidade na geração da
energia térmica e na transformação para energia elétrica, bem como maior
confiabilidade e segurança do processo.
Dentre as matérias que compõem a grade curricular do curso de Engenharia
de Controle e Automação podemos notoriamente verificar o uso dos conceitos de
controle, informática industrial I e processos para realização desse projeto.
4
1.3: Metodologia
O projeto foi desenvolvido através de uma equipe de desenvolvedores, onde
cada membro detinha um papel e uma tarefa específica. A metodologia da empresa
para o desenvolvimento de projetos consiste em quatro etapas bem definidas.
A primeira etapa é onde ocorre a especificação de requisitos que o projeto
deverá ter. Estas especificações devem estar de acordo com as necessidades do
cliente, assim são feitas as reuniões necessárias com o cliente para que o projeto
seja bem definido. Ao longo do desenvolvimento é mantida sempre uma linha direta
com o cliente para que o projeto atenda a todas as necessidades.
A segunda e mais duradoura é o desenvolvimento. Nesta etapa são feitas
todas as lógicas do CLP e a programação do supervisório, sempre repassando as
telas para aprovação do cliente para evitar retrabalho no Start-up do sistema.
A terceira etapa são os teste de validação. Este momento consiste em uma
bateria de testes guiados pelo plano da validação proposto por um integrante da
equipe de projeto. O objetivo desta etapa é de verificar se a programação do CLP e
Supervisório possui o funcionamento de acordo com o especificado no início do
projeto e se o mesmo não possui erros.
A quarta e última etapa é o Start-up, ou seja, é a inicialização da planta em
campo. O projetista designado segue uma serie de etapas para colocação do
sistema em funcionamento na forma mais segura e também valida o projeto na
planta. Por fim, toda a documentação do projeto é redigida e arquivada.
Para dar apoio ao desenvolvimento, durante o período de estágio a empresa
ofereceu cursos de capacitação e uma biblioteca com livros técnicos para estudo
dos assuntos abordados neste projeto. Diariamente o analista responsável fez o
acompanhamento do projeto para sanar dúvidas e verificar o rumo do projeto.
1.4: Organização Documento
Este trabalho é dividido em 8 capítulos, o primeiro é a introdução, já
apresentada. No capítulo 2, é apresentado o local de estágio (WEG na unidade de
Automação no departamento de Projetos Elétricos e Mecânicos na seção de
5
Software Aplicativo). No capítulo 3, é abordada a preparação teórica para o
entendimento do sistema como um todo, mostrando o funcionamento de cada
subsistema do projeto. No capitulo 4, é explicado todos os requisitos e laços de
controle do sistema. No capítulo 5, apresenta-se o funcionamento de um CLP e as
ferramentas utilizadas no projeto. No capítulo 6, são explicados os sistemas de
supervisão e aquisição de dados – SCADA. No capítulo 7, são apresentados os
resultados do desenvolvimento do projeto. No último capítulo são apresentadas as
conclusões e as perspectivas futuras.
6
Capítulo 2: Local de estágio
A WEG nasceu da união de três homens que pretendiam fabricar motores
elétricos. Surge, então, no dia 16 de setembro de 1961, a Eletromotores Jaraguá.
Alguns anos depois, a empresa passaria a se chamar Eletromotores WEG, nome
retirado das iniciais de seus fundadores, Werner Ricardo Voigt, Eggon João da Silva
e Geraldo Werninghaus, nome que em alemão significa caminho. [2]
A trajetória da WEG ao longo dos anos é marcada pelo êxito. Atualmente
apresenta um quadro de funcionários de aproximadamente 26000 colaboradores,
com 18% desse quadro no exterior. Possui uma vasta linha de produtos nos ramos
eletro-eletrônico e químico. Seu quadro fabril abrange a produção de motores
elétricos de corrente alternada e contínua de pequeno médio e grande porte,
geradores, acionamentos, automação industrial, transformadores, tintas, vernizes e
resinas. Possui mais de 150 milhões de motores produzidos e obteve um
faturamento de 6,173 bilhões de Reais no ano de 2012.
Figura 1 - Distribuição das Fábricas, Escritórios, Distribuidores e Representantes.
7
Hoje a WEG é a maior indústria de motores elétricos da América Latina, e
está presente em mais de 100 países nos cinco continentes (figura 1). Tem os
processos de produção mais avançados e os mais exigentes programas de
qualidade total. O mais importante é que tem o mesmo capital inicial, baseado no
trabalho e na disciplina, multiplicado por cada um de seus colaboradores
comprometidos com a plena satisfação dos clientes. [2]
A empresa vem buscando cada vez mais criar novas tecnologias e inovar
técnicas e processos através dos seus departamentos de desenvolvimento de
produtos e das parcerias com instituições de ensino superior e centros de pesquisa.
2.1: Organização da empresa
O Grupo WEG possui cinco segmentos de negócio: Motores, Energia,
Transmissão e Distribuição, Automação e Tintas. Em seus dezesseis parques fabris
espalhados pelo Brasil e mais onze unidades produtivas no exterior, a WEG controla
todo o processo industrial de seus produtos, iniciando na fundição e encerrando na
embalagem do produto. Na tabela a seguir mostramos as unidades produtivas do
Grupo WEG.
WEG EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS S.A. – HEADQUARTERS
Jaraguá do Sul - SC
WEG EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS S.A. - MANUFACTURING PLANT I
Jaraguá do Sul - SC
WEG EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS S.A. - MANUFACTURING PLANT III
Guaramirim - SC
WEG EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS S.A. - MANUFACTURING PLANT IV
Blumenau - SC
WEG ITAJAÍ EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS S.A. Itajaí - SC
WEG AUTOMAÇÃO CRITICAL POWER LTDA São José - SC
BANWEG São Paulo - SP
HISA - UNIDADE JOAÇABA Joaçaba - SC
INSTRUTECH São Bernardo do Campo - SP
TINTAS E VERNIZES PAUMAR S/A - WEG TINTAS
Mauá - SP
UNIDADE GRAVATAÍ Gravataí - RS
8
WEG AMAZÔNIA Manaus - AM
WEG EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS S.A. - UNIDADE SÃO BERNARDO DO CAMPO
São Bernardo do Campo - SP
WEG TINTAS LTDA - FILIAL DE CABO DE SANTO AGOSTINHO
Cabo de Santo Agostinho - PE
WEG TINTAS LTDA - FILIAL MAUÁ Mauá - SP
WEG-CESTARI REDUTORES E MOTORREDUTORES S.A.
Monte Alto - SP
Tabela 1 - Unidades Produtivas do Grupo WEG
Em Jaraguá do Sul, onde a empresa iniciou, concentra-se o maior número de
colaboradores e a maior parte da produção. No ano de 2000, a WEG adquiriu as
primeiras unidades fora do Brasil. A tabela, a seguir, mostra as unidades produtivas
fora do Brasil.
WEG EQUIPAMENTOS ELECTRICOS S.A. – CÓRDOBA Argentina
WEG EURO INDÚSTRIA ELECTRICA S.A. Portugal
WEG MÉXICO S.A. DE C.V. México
WEG NANTONG ELECTRIC MOTORS MANUFACTURING
CO. LTD.
China
WEG INDUSTRIES INDIA PVT. TLD. Índia
WEG TRANDFORMADORES MÉXICO S.A. DE C.V. México
VOLTRAN S.A. de C.V. México
EPRIS ARGENTINA S.R.L. Argentina
WATT DRIVE ANTRIEBSTECHNIK GMBH Áustria
ELECTRIC MACHINERY COMPANY INC EUA
PULVERLUX S.A. Argentina
WEG África do SUL S.A. África do Sul
Tabela 2 - Unidades WEG fora do Brasil
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2.2: WEG Automação
No ano de 1988, aliando-se aos anseios governamentais e acadêmicos a
WEG Automação se instala no pólo tecnológico de Florianópolis. É também nesta
data que surge na Universidade Federal de Santa Catarina, o curso superior de
Engenharia de Controle e Automação. Esta unidade de negócio da empresa surge
com uma linha de atuação voltada para mecanismos industriais utilizados
principalmente para atividades insalubres, como servomecanismos e robôs. [2]
Em 1993, a WEG Equipamentos Elétricos S.A. - Automação é transferida
para Jaraguá do Sul e assume a fabricação, desenvolvimento e comercialização dos
produtos WEG voltada para a automação industrial. Inicia-se um processo de
consolidação de sua atuação no mercado de eletrônica de potência, instalações
industriais, automação e controle de processos industriais. [2]
Atualmente, seus produtos estão direcionados à automação industrial e
controle de processos. Suas atividades abrangem, além do desenvolvimento de
produtos eletrônicos, o projeto e implantação de sistemas de automação e
supervisão para processos industriais.[1]
Produtos da WEG Automação [2]:
Drivers – Inversores de frequência, soft-starters, servoacionamentos e
conversores de corrente contínua.
Partida e proteção de motores – Relés inteligentes, minicontatores e
chaves de partida.
Painéis elétricos – Centro de controle de motores (CCM) de baixa e
média tensão.
Sistemas de automação e controle de processos – Controladores
lógico programáveis, relés programáveis e soluções de automação e
controle.
A WEG Automação disputa um mercado altamente disputado com grupos
internacionais e também com empresas nacionais. Os principais concorrentes são
ABB, Allen-Bradley, General Eletric, Scheider Eletric e Siemens. [1]
10
2.3: Departamento de Projetos Elétricos Mecânicos
A WEG Automação conta com vários departamentos, entre eles o de Projetos
Elétricos Mecânicos. Este departamento trabalha de forma conjunta com os
departamentos de vendas e produção. Na WEG Automação, os produtos podem
surgir de duas formas distintas. [11]
1. Produto seriado: produto que tem origem no departamento de
desenvolvimento através da realização de pesquisa tecnológica e do conhecimento
adquirido dos seus colaboradores. Uma detalhada pesquisa de mercado é realizada
em paralelo pelo departamento de vendas para assegurar que sua demanda é
garantida.
2. Produto especial: produto originado de uma proposta comercial com um
determinado cliente com necessidades específicas realizadas pelo departamento de
vendas. Neste modo é utilizado um produto seriado como base e acrescentado nele
um pacote de funcionalidades especiais.
O departamento de Vendas é a porta de entrada de novos projetos. Este cria
as necessidades nos departamentos, dando inicio em um novo projeto seja ele
seriado ou especial. As entradas do departamento de Projetos Elétricos Mecânicos
são apenas nos produtos especiais, que sofreram mudanças especificas conforme
desejo do cliente. O departamento de Projetos Elétricos Mecânicos é dividido em
oito setores:
Seção Projetos Acionamentos
Seção Projetos Chaves Especiais
Seção Software Aplicativo
Seção Projetos Elétricos MT e Sistemas
Seção Desenvolvimento Mecânico
Seção Projetos Elétricos BT e Naval
Seção Projetos Mecânicos
Seção Automação Naval
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2.4: Seção de Software Aplicativo
O projeto de fim de curso foi desenvolvido na Seção de Software Aplicativo,
que conta com um quadro de 47 funcionários, em torno de 30% são engenheiros, e
mais 3 estagiários sendo dois técnicos em automação e um de engenharia de
controle e automação.
A seção é responsável pelo desenvolvimento de sistemas de controle de
processos, atuando como integrador de sistemas desenvolvendo software
aplicativos para CLPs, IHMs, supervisórios e dispositivos inteligentes como SRW,
Reles de Proteção, Gateways entre outros.
Também é a responsável por todas as especificações de engenharia para a
automação do sistema como: arquitetura da automação, definição das redes de
comunicação, estratégia de controle entre outros. O setor é composto por sete
Equipes.
1. Usinas de Álcool e Açúcar – equipe de especialistas no setor de álcool
e açúcar. Desta forma, permite um alto nível de integração entre todas
as áreas da usina, desde o preparo da cana, passando pelo
tratamento do caldo, geração de vapor e energia, bem como todo o
processo de fabricação de açúcar, álcool e biodigestão da vinhaça. A
automação com foco na necessidade de cada cliente permite criar
sistemas integrados e customizados que facilitam a operação e
manutenção da planta, gerando indicadores de processo com
relevância significativa na analise da produção.
2. Área de Energia – os sistemas de automação WEG para o setor
elétrico. Compreende todo o ciclo de geração de energia, por exemplo,
para um sistema de cogeração abrangeria: controle do transporte e
preparo da biomassa, controle automático de caldeiras bem como
operação automática da turbina e gerador. Atualmente, centenas de
projetos no setor de energia estão em operação com sistemas de
controle WEG. O setor de energia também abrange os projetos de
pequenas centrais hidrelétricas e subestações para indústrias e
concessionárias.
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3. Área Papel, Moedas e Química – A WEG é fornecedora de soluções
para área de papel e celulose, incluindo a automação do processo de
preparação de massa, maquina de papel, rebobinadeira, entre outros.
Alem do sistema de controle e supervisão, a WEG disponibiliza o
pacote elétrico completo.
4. Área Metais, Mining e Redes e Grupo WEG – Em busca, dentre outros
aspectos, melhorar a qualidade do material produzido e incrementar a
produtividade de laminadores, a WEG fornece para seus clientes a
solução completa com sistemas de automação e pacote elétrico
completo: transformadores, motores, painéis elétricos e de operação,
conversores estáticos, CLPs e remotas, além do software para controle
e supervisão dos equipamentos.
5. Área Naval – O sistema de automação para navios da WEG consiste
numa solução extremamente flexível com interface amigável que
permite ao usuário monitorar e controlar diversos equipamentos da
embarcação através do computador.
6. Gerenciamento Chão de Fabrica (G.C.F) – é uma ferramenta de auxílio
na gestão da manufatura. Essa solução reúne o que há de mais
moderno em Tecnologia de Automação (TA) e Tecnologia da
Informação (TI) com objetivo de realizar uma coleta de dados com alta
precisão diretamente de onde eles são gerados, do chão de fábrica, e
proporcionar aos seus gestores um acompanhamento online dos
processos produtivos, facilitando a tomada de decisões com foco na
maximização da sua eficiência.
7. Grupo Suporte – é responsável por fornecer suporte interno para a
seção, ou seja, todo o desenvolvimento de padrões, normas técnicas,
bibliotecas padrões e entre outras atividades. O grupo é de vital
importância para que se mantenham os padrões de software
desenvolvido pela seção.
A seção também realiza todos os testes integrados de todas as redes na
fabrica com os painéis, switches, computadores e dispositivos inteligentes; os Start-
13
up (posta em marcha) dos projetos são feitos pela seção, bem como os
treinamentos específicos no cliente, suporte remoto e local.
O projeto se desenvolveu na área de energia com supervisão do Engenheiro
Guilherme Siviero, responsável pela área que conta com oito projetistas, sendo três
engenheiros. O projeto escolhido para o desenvolvimento deste PFC foi a
automação de uma central termoelétrica, é importante salientar que este é o terceiro
projeto deste cliente. O primeiro foi um sistema de cogeração de energia para uma
fabrica de papel, o segundo uma termoelétrica de geração, e o projeto atual é uma
expansão da central existente.
14
Capítulo 3: Sistema de Geração de Energia
Neste capítulo, serão expostas as principais idéias de fundamentação para
melhor compreensão do projeto. As informações a seguir foram obtidas a partir do
descritivo funcional do sistema fornecido pela empresa contratante e outras fontes
bibliográficas para melhor embasamento físico e teórico do funcionamento do
sistema.
3.1: Introdução
O principio da geração de energia foi apresentado por Joseph Herry em 1830,
no EUA, e em 1831 por Michael Faraday, no Reino Unido. [10] Ambos apresentaram
as bases para a transformação de energia mecânica em energia elétrica.
A eletricidade é a forma mais fácil de se transportar energia para a utilização
nos processos de manufatura. A geração de energia elétrica é a transformação de
qualquer energia em energia elétrica, e esse processo ocorre através de duas
etapas. Na primeira etapa, a máquina primária transforma qualquer tipo de energia
em energia cinética de rotação. Enquanto que na segunda etapa, um gerador
acoplado à máquina primária transforma a energia cinética de rotação em energia
elétrica. [8]
Um tipo de sistema de geração de energia é através de processo
termoelétrico. Este consiste na transformação da energia presente em produtos
combustíveis em energia cinética de rotação através de turbinas. Neste projeto,
aborda-se um sistema termoelétrico que usa fardos de palha como produto
combustível. Os dados técnicos preliminares da usina termoelétrica são:
• Localização: Lautaro na VIII região(CHILE)
• A produção contínua de vapor superaquecido: 80 T/h
• Pressão de vapor superaquecido: 92 bar
• Temperatura de vapor superaquecido: 522 ºC
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• Combustível: Palha de trigo
• Fluxo de combustível: 15 T/h
• Umidade media do combustível: 14%
• Poder calorífico ponderado: 3.500 Kcal/Kg
• Queimador de arranque a diesel
• Fluxo máximo de diesel: 500 kg/h
O Sistema de alimentação de biomassa – Material usado como combustível
proveniente de uma fonte renovável como, por exemplo, o trigo – recebe o
combustível e o prepara para ser queimado na caldeira. O calor produzido é
transferido para o sistema de água da caldeira, transformando a água em vapor.
Este vapor é conduzido para o sistema da turbina, o qual movimenta a turbina e
produz energia cinética de rotação, com o eixo do gerador acoplado a turbina. O
gerador por meio da indução magnética irá gerar energia elétrica. Na sequência
serão apresentados os detalhes deste processo.
3.2: Sistema de Alimentação de Biomassa
O sistema de Alimentação tem como função armazenar, transportar e
movimentar o combustível até a caldeira. O combustível utilizado neste sistema são
fardos de palha compactada, que pesam em torno de 500Kg e medem em media
2,3m de comprimento por 0,7m de largura. O que torna este material de difícil
manejo e armazenamento.
O sistema de Alimentação de Biomassa divide-se em duas seções:
Transporte de fardos de palha
Alimentação de palha a caldeira
3.2.1: Transporte de fardos de palha
Os fardos entregues pelos caminhões são armazenados, e na entrada do
sistema um braço robótico coloca um par de fardos por vez em cima de uma esteira.
Ela apenas se movimentará quando forem colocados seis pares de fardos, que
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serão deslocados para a próxima esteira (inclinada). Caso a terceira esteira
(Inclinada) esteja vazia, a segunda esteira transferirá de modo continuo os 6 pares
para a mesma. A terceira esteira (inclinada) movimentará um par por vez para
dentro do galpão, mediante pedido do próximo sistema.
Figura 2 – Imagem do P&ID do sistema de Alimentação
O galpão interno possui duas esteiras em paralelo, as quais separam os
fardos. Nas esteiras separadas será feito a medição do peso de cada fardo. Cada
um será transferido para o carro de distribuição, onde será feito a medição da
umidade e a transferência do fardo para uma das três linhas de alimentação, como
mostrado na figura 2.
3.2.2: Alimentação de palha à caldeira
O subsistema de alimentação de palha à caldeira divide-se em três linhas
denominadas de acordo com a sua posição, com referência a entrada de biomassa
da caldeira. Desta forma, existe a linha esquerda, linha central e linha direita.
Cada linha possui duas esteiras em sequência, e na segunda esteira é feito o
corte das cintas dos fardos. Este é guiado para dentro de uma câmara com um
desmenuzador que irá desfazer o fardo, deixando as palhas soltas para que uma
rosca encaminhe a palha para a fornalha da caldeira, conforme apresentado na
17
figura 3.
Figura 3 - Imagem do P&ID da linha de alimentação.
3.3: Sistema de Refrigeração
O sistema de refrigeração tem como função fazer o controle térmico das
câmaras de alimentação de Biomassa na caldeira. Este sistema sempre deve estar
em operação, pois é um sistema crítico e a temperatura da câmara é um fator
importante para o início de operação na linha de alimentação como também para o
acionamento do BMS (Burn Manager System). Na figura 4 apresentamos um
diagrama deste sistema.
18
Figura 4 - Imagem do P&ID da Refrigeração
O sistema é dividido em três subsistemas:
Controle de nível do tanque
Gerenciamento do circuito de refrigeração
Controle de nível das comportas
3.3.1: Controle de nível do tanque
O subsistema controla o nível do tanque de refrigeração através de uma
válvula On-Off, controlada por uma eletroválvula. Quando o sensor de nível alto
ativa a válvula é fechada e quando o sensor de nível baixo ativa a válvula é aberta.
Existe um terceiro sensor no tanque para indicar quando o nível está muito
baixo, no caso desse sensor ser ativado serão fechadas as bombas de circulação e
para não haver uma parada total da circulação da água é aberta uma válvula By-
Pass. A válvula faz com que o circuito “pule” as bombas tornando o trajeto
diretamente para as comportas, pois a água contida na comporta está mais quente
que a água no tanque. Desta forma, a circulação de água continua através da
diferença de temperatura.
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3.3.2: Gerenciamento do circuito de refrigeração
Neste subsistema controlam-se as duas bombas de alimentação, a válvula
By-Pass e a temperatura da água que sai dos dutos refrigerados das comportas.
O funcionamento normal será sempre uma bomba trabalhando e a outra em
espera, para minimizar o desgaste. Haverá o revezamento das bombas a cada X
horas (um parâmetro a ser definido) e estas bombas trocarão de estado, a bomba
em funcionamento ficará em espera para que a bomba em espera comece a
funcionar. Em caso de alguma anomalia na bomba que estiver em funcionamento
esta será desativada e a bomba em espera iniciará imediatamente o trabalho.
Caso ocorra o alarme de alta temperatura em alguma das três comportas a
bomba reserva inicia seu funcionamento imediato, para aumentar o fluxo de água e
tentar diminuir a temperatura da comporta. Quando a temperatura é estabilizada a
bomba reserva volta a modo de espera.
Em caso de parada das duas bombas, a válvula By-Pass é aberta para que
não ocorra a interrupção da circulação de água. Esta válvula é fechada ao ser
estabilizado o funcionamento das bombas.
3.3.3: Controle de nível das comportas
Este subsistema controla o nível de água nas três comportas, das linhas de
alimentação. Existe uma eletroválvula na entrada de cada linha que são controladas
pelos sensores de alto nível e baixo nível.
3.4: Sistema de evacuação de escorias
Este sistema é responsável por apagar, extrair, transportar e evacuar as
escorias da caldeira resultantes da queima da biomassa. Ao iniciar a queima de
biomassa as grelhas se colocam em movimento, esta grelha fica se movimento em
intervalos de segundo, quanto maior a quantidade de biomassa na entrada menor
será o intervalo entre os movimentos. O movimento serve para a entrada do
comburente (Ar) e faz com que as escorias caiam no fundo da grelha, onde
encontra-se o transportador de palhas “inundadas”. O sistema esta ilustrado na
20
figura 5
Figura 5 - Imagem do P&ID do sistema de evacuação de escorias
O transportador consiste em um conjunto de roscas submersas em água que
é o responsável por misturar a escoria (em pó) com a água, pois sem a água este
material apenas se mistura ao ar. A escoria, eventualmente, desce ao encontro da
água formando uma “papa”, o que facilita a sua remoção.
O sistema possui um sensor de torque para verificar se o transportador está
sobe esforço demasiado. Em caso de esforço excessivo, o transportador mudará o
sentido de rotação por alguns segundos e retornará ao sentido normal. Quando
houver a persistência de esforço excessivo o transportador repete este
procedimento N (parâmetro a ser parametrizado) vezes. Também há os sensores de
nível do transportador, pois este deve sempre manter um nível de água para poder
apagar e se misturar com a escoria.
3.5: Sistema de Purgas da Caldeira
O sistema de purgas possui um tanque de expansão de purgas. Este tanque
de expansão dispõe de uma entrada controlada de água da rede para esfriamento
dos condensados. Para a coleta e expansão dos expurgos de condensados e
21
purgas da caldeira, se tem um tanque coletor, equipado com uma adição de água
fria que pode funcionar em manual ou automático.
Primeiro, o conjunto deve ser colocado em "automático" desde o início das
manobras da caldeira, pois são numerosas as purgas nesta fase. O funcionamento
neste modo é o seguinte: quando a certa temperatura no tanque de expansão de
purgas pré-estabelecido (parâmetro 1), se abre a válvula de entrada de água da
rede. A válvula será fechada novamente quando a temperatura cai abaixo de outro
valor (parâmetro 2). Em modo "manual", da referida válvula, tanto a abertura como o
fechamento irá ser comandado pelo operador.
3.6: Sistemas dos sopradores
O sistema é composto por um conjunto de sopradores que são projetados
para manter limpos os feixes tubulares do aquecedor de vapor, dos economizadores
de água e dos aquecedores de ar/gases, ao longo do qual circulam os gases. É
planejado de forma que se mantenha a capacidade de transferência térmica nas
melhores condições possíveis para o funcionamento da caldeira.
Existem dois grupos de sopradores, um grupo para os aquecedores e outro
grupo para os aquecedores de ar e economizadores.
Deve-se considerar que para cada soprador existem dois estados possíveis
"Manual" e "Automático". O "Manual" é reservado para operações de teste e
manutenção, e está fora do ciclo de máquina em geral. No modo "Automático", o
soprador estará pronto para entrar em ciclo de ativação automaticamente.
O ciclo operacional consiste em ir ativando cada um dos sopradores seguindo
uma sequência totalmente automática, excluindo do processo o grupo não
selecionado. Existe uma pausa entre os ciclos escolhido pelo operador.
Independentemente do parâmetro de tempo de pausa é possível ativar um ciclo de
limpeza sempre a critério do operador.
Durante o ciclo de sopro serão ativados cada um dos sopradores que estão
selecionadas numa ordem predeterminada, saltando para o próximo quando um
estiver defeituoso ou em falha. Nunca poderão ser iniciados dois sopradores ao
22
mesmo tempo. O ciclo de sopro dá-se da seguinte forma:
1) As válvulas motorizadas de purgas e vapor a sopradores são passadas
para modo automáticas;
2) Abrem-se as duas válvulas de purga;
3) Abre-se por um tempo (parâmetro, vários segundos) a válvula de vapor a
sopradores é recomendada 15%, aproximadamente;
4) Depois de um tempo de 20 segundos de aproximação fecham-se as
válvulas de purga dos sopradores, e abre completamente a válvula do
soprador a vapor, confirmado pelo sensor de fim de curso;
5) Aumentará em 5% o ar de combustão (aumentando o fluxo de ar total);
6) Ativa-se o avanço do primeiro;
7) O correspondente motor do soprador irá girar para frente até que o sensor
de fim de curso seja ativo, invertendo o sentido de giro;
8) O motor do soprador irá girar em sentido inverso até ativar o sensor de fim
de curso. Neste momento para e dá permissão para o seguinte soprador:
9) Repetir o mesmo ciclo nos outros sopradores que estão selecionados;
10) Quando terminar todo o ciclo de sopro, serão fechadas as válvulas de
sopro e, em seguida, serão abertas as válvulas de purga, dando fim ao
ciclo de sopro, e se restabelecerá o fluxo total de ar de combustão.
3.7: Ventilador de Inserção de Ar
Este sistema é constituído pelo ventilador de inserção, que é responsável
pela proporção do ar necessário para a combustão da biomassa por meio do pré-
aquecedor de ar/vapor. Posteriormente, o ar é aquecido no aquecedor de ar/gases,
aquecido a cerca de 210º a 250° C e a pressão controlada, é distribuído em ar
primário e secundário.
3.7.1: Parada do Ventilador
O ventilador poderá ser interrompido, seja voluntariamente ou por qualquer
23
uma das seguintes condições:
1) Parada por BMS;
2) Parada provocada pelo botão de emergência do gabinete do inversor;
3) Falha de proteção do inversor;
4) Ausência de sinal de Lido do inversor;
5) Algum alarme de temperatura muito alta no conjunto do motor ventilador
confirmado por seu alarme anterior.
Com o ventilador parado, o controlador de pressão de ar de combustão é
forçado ao modo manual com o sinal de saída a um (parâmetro), que corresponde à
frequência mínima de arranque do Ventilador (Set do arranque).
3.7.2: Controle de Pressão de Ar de Combustão
O motor do ventilador tem um inversor de frequência, que atua como agente
de regulação do laço de controle de pressão de ar de combustão, apenas no ponto
de distribuição de ar primário e secundário. Este operando sempre com uma
referencia variável. A parada do ventilador por qualquer motivo gera a parada
imediata da caldeira.
3.8: Ventilador de Exaustão
Este sistema é composto pelo ventilador de exaustão, que é responsável por
extrair os gases resultantes da combustão da biomassa. O ventilador extrai os gases
que saem dos filtros de mangas, e conduz a atmosfera através da chaminé.
3.8.1: Parada do Ventilador
O ventilador da caldeira pode ser interrompido, seja voluntariamente ou por
qualquer uma das seguintes condições:
1) Parada do BMS;
2) Parada de emergência do gabinete do inversor;
24
3) Falha de proteção do inversor;
4) Algum alarme de temperatura muito alta no conjunto do motor ventilador,
previamente confirmado pelo correspondente anterior.
Com o ventilador parado, o controlador de pressão da fornalha se forçará ao
modo manual com a saída a um (parâmetro), que corresponde com a mínima
frequência de arranque do ventilador.
3.8.2: Controle de Pressão da Fornalha
O motor do ventilador de exaustão dispõe de um inversor de frequência, que
atua como agente de regulação do laço de controle de pressão da fornalha.
Operando sempre com uma referência fixa de aproximadamente de 10 mm C.A.,
porém modificável pelo operador da caldeira.
Uma parada do ventilador, por qualquer motivo, irá gerar imediatamente uma
parada da caldeira, gerando um alarme de grande importância.
3.9: Caldeira
É o nome popular dado aos equipamentos geradores de vapor, cuja
aplicação tem sido ampla no meio industrial e também na geração de energia
elétrica nas centrais termoelétricas. É essencial para as atividades que necessitam
de vapor para o seu funcionamento (em particular o vapor de água, devido à
abundância da mesma) e, por operar com pressões acima da pressão atmosférica.
A maior parte é aplicada nas indústrias, até quase 20 vezes maior, e nas aplicações
para a produção de energia elétrica de 60 a 100 vezes maior, podendo alcançar
valores de até 250 vezes mais, constituindo um risco eminente na sua operação
[11].
Uma caldeira é composta de dois sistemas básicos separados. Um é o
sistema vapor-água, também chamado de “lado de água da caldeira” e o outro é o
sistema combustível-ar-gás da combustão, também chamado de “lado de fogo da
caldeira”. A entrada do sistema vapor-água ou do “lado de água da caldeira” é a
água, que deve passar por um rigoroso tratamento antes de ser bombeada para
25
dentro da caldeira. Esta água é aquecida através de uma barreira de metal sólido e
deixa o sistema na forma de vapor. As entradas do sistema combustível-ar-gás da
combustão ou lado do fogo da caldeira são o combustível e o ar de combustão
necessário à queima deste combustível. Neste sistema, o combustível e o ar de
combustão são cuidadosamente misturados, sendo em seguida queimados na
câmara de combustão, ou fornalha. A combustão converte a energia química do
combustível em energia térmica, ou seja, calor. Este calor é transferido para o
sistema vapor-água, o que ocasiona a geração de vapor [12].
O vapor gerado no balão de vapor é saturado, ou seja, contem partículas de
água suspensa no vapor, o que é suficiente para muitas aplicações industriais. No
entanto, para a geração de energia elétrica, é necessário que seja gerado o vapor
superaquecido, devido ao fato de que as turbinas a vapor operam com maior
rendimento em uma faixa de temperatura mais elevada que a temperatura de
saturação da água. O vapor superaquecido é obtido mediante a instalação de
superaquecedores, colocados na região final de combustão, pois tem ali a região de
temperatura mais elevada da caldeira. Nas caldeiras que geram vapor
superaquecido, para que se possa controlar a temperatura do vapor gerado é
necessária a utilização de um dessuperaquecedor [12].
3.10: Turbina Shin Nipon
Nas turbinas a vapor, o fluido que vem da caldeira vai para a entrada da
turbina. Esta funciona por diferença de pressão, ou seja, aproveitam a energia
cinética do gás que passa de um lugar de da alta para um lugar de baixa pressão.
Após ser transportada por alguns estágios de turbinas, o vapor desloca-se para um
condensador e em seguida para um desareador para voltar para o inicio do sistema.
O sistema será de responsabilidade do fabricante, a Shin Nipon, que
desenvolvera todas as lógicas do CLP dedicado da turbina. O fabricante também
solicitará para WEG qual o formato e informações que constaram na tela da turbina
no supervisório do sistema desenvolvido pela WEG.
No Start-up do sistema o fabricante também deverá mandar um técnico para
o acompanhamento para que seja feito como especificado por eles. A turbina
26
especificada para o projeto é uma turbina a vapor de 21,5MW de potência.
3.11: Gerador
Os geradores que são utilizados junto ao uma turbina são chamados de
Turbogeradores. O gerador utilizado no projeto é do tipo síncrono, de fornecimento
da WEG. Suas especificações são:
1. Modelo: SPW-1120
2. Potência: 25MW
3. Fator de potência: 0.8
4. Polos / Velocidade: 4 / 1500 RPM
5. Voltagem 13.2 kV
6. Frequência 50 Hz
Em projetos de geração e transmissão de energia um requisito importante é
que a tensão de saída do gerador não tenha uma amplitude de variação de 10% em
um tempo pré-determinado, o qual varia conforme o projeto. Este controle da tensão
é feito pela própria excitatriz do gerador.
Tendo uma amplitude definida sem grandes variações é necessário
sincronizar o gerado com a rede para fazer o fechamento da linha. No quadro de
comando e proteção, existem vários equipamentos de manobra e proteção que são
supervisionados pelo operador que pode atuar a qualquer momento se necessário.
Um ponto delicado e complexos dos projetos de geradores é a sincronização
com a rede. Neste projeto a frequência da rede é de 50Hz, e para o correto
funcionamento a frequência da tensão de saída deve ser constante. A frequência
será dada em função da rotação do gerador que é proporcional a velocidade da
turbina. Desta forma, o sistema atua nos reguladores de velocidade da turbina para
assim manter a frequência constate na saída do gerador.
A potência elétrica de saída do gerador é diretamente proporcional ao produto
da velocidade de rotação e o torque na ponta do eixo da turbina. Através da
ocorrência de um aumento de carga no gerador a turbina deve aumentar o torque,
27
pois a rotação deve se manter constante para que não haja variação na frequência
do gerador.
28
Capítulo 4: Requisitos e Controle do Sistema
Neste capítulo, serão apresentados os principais requisitos e lógicas de
controle do sistema. As informações a seguir foram obtidas a partir do descritivo
funcional do sistema fornecido pelo contratante.
4.1: Sistema Principal de Controle da Caldeira
O controle principal da caldeira estabelecerá as necessidades de combustível
(biomassa) e de ar de combustão total para satisfazer as necessidades da demanda
de energia, através de dois modos de funcionamento: pressão e vazão.
4.1.1: Laços de Controle
Controlador Principal da Pressão da Caldeira (PIC-a)
Controlador de Segurança de Pressão de Start-up (PIC-b)
Controlador Principal de Vazão de Vapor da Caldeira
Controle de Combustível (biomassa)
Controle de Fluxo de Ar de Combustão Total
4.1.1.1: Controlador Principal da Pressão da Caldeira (PIC-a)
O supervisório não permite que o operador introduza valores nominais de
trabalho acima de um valor máximo (parâmetro), que corresponde à pressão
máxima admissível de trabalho da caldeira.
Frente a um TRIP da turbina ou corte de carga, o laço passa a “Tracking” e
abre automaticamente a válvula de escape de vapor para a atmosfera em 100%, em
rampas fixa de dois minutos. Nesta posição, vai esperar o tempo de 1 minuto.
29
4.1.1.2: Controlador de Segurança de Pressão de Start-up (PIC-b)
Antes de a válvula de controle de arranque existe uma válvula motorizada de
isolamento do circuito de evacuação de ar para a atmosfera. No modo automático,
está normalmente fechada e abre-se quando a pressão diferencial da linha de saída
de vapor é inferior a 1,5 bar. Voltando a fechar quando a pressão diferencial está
acima de 2 bar.
4.1.1.3: Controlador Principal de Vazão de Vapor da Caldeira
Para o controle de carga da caldeira são utilizado dois laços de controle. O
primeiro laço (PIC-a) atuará como um sistema primário de controle principal da
pressão da caldeira, e um segundo laço (PIC-b) atuará como controle de pressão de
segurança atuando sobre a válvula arranque.
O laço de controle principal da pressão (PIC-a) utilizará como variável de
processo a pressão de vapor superaquecido na saída da caldeira e um ajuste local.
A partir da saída deste laço é gerado um sinal de demanda de carga, que
determinar as quantidades de combustível e de ar de combustão. Este sinal será
limitado por baixo, o que corresponde a (parâmetro) demanda mínima de carga.
O parâmetro de demanda de carga mínima estabelece o fluxo mínimo de
combustível e a quantidade mínima de ar total de combustão que a caldeira pode
suportar.
O controlador principal funciona como um indicador de balanço energético
entre a energia requerida pela turbina e da energia entregue pela caldeira. Este
obtém um sinal de correção de balanço que irá atuar como a demanda total de
energia requerido pelo sistema de combustão da caldeira.
A seleção do modo de controle principal por pressão ou por vazão dá-se pelo
operador no supervisório, com as devidas precauções para não alterar o modo sem
as correspondentes medidas de segurança.
Quando está selecionado o modo de controle por vazão, será forçado o modo
"Tracking" do laço de controle por pressão, com o mesmo sinal de saída do laço de
controle de vazão.
30
Da mesma forma, ao selecionar o modo de controle de pressão vai forçar o
modo "Tracking" do laço de controle de vazão, com o mesmo sinal de saída do laço
de controle de pressão.
Diante de um TRIP da turbina ou corte de carga, por abertura do disjuntor do
gerador, será passado para o modo manual o laço de controle de pressão de
segurança (PIC-b). Abre-se a válvula de arranque em 100%, em uma rampa fixa 2
minutos, nesta posição, se espera por um tempo fixo de 1 minuto e verifica-se o
fluxo de vapor da caldeira é menos de 55.000 kg/h. Desta forma é passada para
automático o laço (PIC-b). Ao mesmo tempo em que se inicia esta manobra de
abertura da válvula de arranque a demanda de carga irá passar para o valor mínimo
operacional da caldeira.
4.1.1.4: Controle de Combustível (biomassa)
O sistema está dimensionado para operar entre 2 e 10 toneladas/hora, para
cada linha, permitindo uma capacidade máxima de 30.000 kg/h de fluxo máximo
total, bem acima do sinal de demanda de carga máxima. Desta forma, é possível
trabalhar em plena carga com apenas duas linhas de alimentação. O fluxo de
biomassa é estabelecido com base na velocidade das esteiras dosificadoras, da
umidade média e da densidade média da biomassa.
Quando as três linhas estiverem em operação e, por qualquer motivo, duas
linhas forem paradas, o operador deve mudar para o modo manual o laço de
controle principal que esteja habilitado, e levar o sinal de saída para a demanda de
carga mínima.
4.1.1.5: Controle de Fluxo de Ar de Combustão Total
O sinal de demanda de carga, adequadamente dimensionada no intervalo de
fluxo total de ar (0 a 120.000 kg/h), passa por três correções: excesso de ar, laço de
controle de oxigênio e variação da temperatura dos gases de saída da fornalha.
Para controlar o fluxo de ar de combustão total é usado um laço de controle,
trabalhando sempre com referência remoto, a partir da saída do controle principal
(pressão ou fluxo) tomado como PV o sinal do transmissor de fluxo de ar no
31
intervalo de 0 a 120.000 kg/h.
4.2: Controle de Nível e Vazão de Água no Balão de Vapor
Existem dois modos de controle: a um elemento e a três elementos. O
primeiro é utilizado para a partida e até alcançar um determinado ponto de trabalho.
Já o segundo modo é usado após atingir este ponto de trabalho.
Nos dois modos, controla-se a mesma válvula de controle pneumática, porém
as ações de controle (P+I) são diferentes devido aos diferentes tempos de respostas
e ganhos.
Também se deve considerar a parametrização dos laços de controle de
emergência, no qual a válvula usada pelos dois laços de controle é a válvula
motorizada que apresenta diferentes características e tempos de resposta.
A lei de controle de nível do balão de vapor pode operar com até três
elementos de diferentes tempos de resposta, três laços P + I com diferentes
parâmetros de ajustes. Estes são:
a) Laço (LIC-a) atuando na válvula pneumática > Modo normal a um
elemento.
b) Laço (LIC-b) referencia nominal > modo normal para três elementos
c) Laço (LIC-c) na válvula motorizada > Modo Emergência a um elemento.
d) Laço (LIC-d) no inversor de frequência > Modo Degradado a um
elemento.
4.2.1: Seleção da medida de nível (3 transmissores)
Os sinais de cada transmissor de nível entram no sistema de seleção
automática, considerando-se os alarmes de hardware (má qualidade) de cada canal,
e os erros entre eles. O operador pode sempre forçar um valor de nível
manualmente para a variável PV do processo.
A decisão de passar de um para três elementos será sempre a critério do
operador. Sempre que ocorrer o pedido de mudança verificam-se as condições,
32
caso seja possível o sistema passa para três elementos. Quando durante o
funcionamento um dos sensores falhar, este voltará a funcionar a um elemento e
avisará o operador.
4.2.2: Controle de nível do balão de vapor a um elemento (LIC-A)
Antes da caldeira estar em operação normal e estabilizada (<20.000 kg / h
aprox.), o controle de nível do balão de vapor será regido pela lei de controle a um
elemento.
Apresentam-se as condições que determinam o passo de controle de nível,
no modo um elemento.
Pedido voluntário por parte do operador do supervisório
Carga da caldeira abaixo de um valor de parâmetro (<20,000 kg / h)
Falha no canal do hardware do fluxo de vapor
Falha no canal do hardware do fluxo de água
Bombas de alimentação de água paradas
Através da disposição de controle de nível do balão de vapor, conforme
descrito anteriormente, este estará ativo e operando um segundo controlador de
pressão diferencial. O controlador deverá manter um Delta P constante na válvula
de controle (proporcionando uma maior estabilidade ao sistema diante de diferenças
de carga, reagindo diretamente no variador de velocidade da bomba de alimentação
prioritária em funcionamento).
4.2.3: Controle de nível do balão de vapor (LIC-B) (3 elementos)
Apresentam-se as condições para a passagem do controle de nível do balão
de vapor para o modo três elementos, quando solicitado pelo operador.
Carga da caldeira superior a um parâmetro (> 20.000 kg / h)
Diferença de água-vapor menor do que o parâmetro
(aproximadamente 10,000 kg / h)
33
Diferença SP-PV de nível do balão de vapor menor que um parâmetro
(Aproximadamente 100 milímetros)
Estando o sistema de controle em um elemento ativo, e a carga da caldeira é
superior a um determinado valor de carga (parâmetro), o operador precisa verificar
as medições de fluxo de vapor e de fluxo de água que devem possuir valores
semelhantes e não estarem com alarme de hardware ativo. Desta forma, o operador
passa para o modo de operação a três elementos.
A partir desse momento, o fluxo de vapor é corrigido pela pressão e
temperatura, enquanto que o coeficiente interno de compensação de expurgos
(cerca de 2.000 kg / h) irá determinar o fluxo de abastecimento de água necessário.
O fluxo é determinado pelo ponto de ajuste remoto do controlador de fluxo de água,
o qual atua como um sinal de Feedforward.
O ganho na correção do nível é determinado pela constante de
proporcionalidade, e o efeito integral levará o nível ao ponto de ajuste desejado.
A ação deste controlador é de modo direto, ou seja, um aumento do nível de
referência do balão de vapor causará também um aumento no sinal de saída. Por
conseguinte, se adicionará ao fluxo previamente calculado a partir do fluxo de vapor
corrigido.
No sistema de BMS e, mais especificamente, na cadeia de segurança da
caldeira, é implementada uma condição de alarme de hardware (má qualidade) nos
três canais de medição de nível do balão de vapor. Caso ocorra um alarme nos três
sensores será desencadeada uma parada da caldeira.
4.2.4: Correção do Fluxo de Vapor
O fluxo de vapor superaquecido deverá ser corrigido pela pressão e pela
temperatura, utilizando duas partes: uma parte das medições de temperatura do
vapor utilizando a seleção automática, e a outra parte, uma das medidas de pressão
do vapor superaquecido também por seleção automática.
Para a medição da temperatura do vapor superaquecido, o sistema
seleciona automaticamente um dos sensores, considerando alarmes de hardware
34
(má qualidade) de cada canal e erros entre eles.
A medida do fluxo de vapor, a ser corrigida, será a que for considerada
adequada para o controle de nível de três elementos. Para o controle principal da
caldeira, para o cálculo set point remoto de oxigênio, entre outros, e qualquer outra
variável calculada da "carga da caldeira".
Para qualquer impossibilidade de cálculo do fluxo de vapor corrigido, o bloco
de correção deve informar o sinal do fluxo de vapor sem correção, com seu
correspondente alarme.
No sistema de BMS e, mais especificamente, na cadeia de segurança da
caldeira, é implementada uma condição de alarme do hardware (má qualidade) nos
três canais de medição da temperatura do vapor superaquecido, se ocorrer um
alarme nos três sensores produzirá uma parada da caldeira.
4.2.5: Controle diferencial de pressão
Em condições normais de funcionamento, e uma vez concluído o arranque da
bomba de abastecimento de água, a pressão diferencial através da válvula de
controle de fluxo será a diferença de pressão entre os dois pontos. Antes e depois
desta, deverá manter-se constante e controlado, através de um controlador de
pressão diferencial, com um valor de referência fixo que o operador poderá mudar a
qualquer momento (cerca de 4 a 8 Bar).
Para que esse controle funcione corretamente, a válvula motorizada de água
deve estar totalmente aberta, que será confirmado por um sensor de fim de curso, e
não deve criar mais perda de carga do que o necessário. Quando ativado o controle
de nível de emergência, a válvula será regida pelo controle do nível de circuito ativo
(LIC-a / b), mantendo ativo o controle da pressão diferencial.
4.2.6: Falha na Válvula de Controle Pneumático
Quando a bomba de água prioritária for desligada, a válvula motorizada
proporcional de entrada de água para o economizador será completamente aberta.
No caso de falha da válvula pneumática de controle de água da caldeira,
35
poderá ser usado como alternativa a válvula motorizada, ativando o modo de
emergência.
Neste caso, os controladores de nível de um elemento e/ou fluxo de água da
caldeira, conforme apropriado, irá operar com esta válvula motorizada utilizando
outros laços de controle (modo de emergência) com outros parâmetros de controle,
porque o tempo entre a abertura e o fechamento é consideravelmente maior do que
a válvula pneumática. O controlador de pressão diferencial continuará atuando.
4.2.7: Falha em ambas as válvulas motorizada e pneumática
A partir da falha na válvula de controle pneumático e, posteriormente, uma
falha na válvula motorizada, a válvula motorizada deve ser definida como manual
para que ocorra uma abertura manual.
Uma vez confirmado a falha das duas válvulas, o laço de controle de pressão
diferencial passará ao estado manual. A função anteriormente realizada pela válvula
de controle será substituída pelo inversor de frequência da bomba de alimentação
que está em operação para manter o nível do balão de vapor. Este modo de
funcionamento é chamado de Degradado. Caso seja necessário o uso deste modo a
carga da caldeira deverá ser reduzido ao mínimo. Deste modo, sem assegurar o
controle da temperatura e do fluxo de água adequado.
4.3: Distribuição do Ar de Combustão
A partir do sinal do controlador de fluxo total de ar de combustão, serão
estabelecidos os critérios para distribuição entre o ar primário e secundário.
4.3.1: Correção de Oxigênio
Para atingir um nível de oxigênio nos gases de saída da caldeira, resultantes
da combustão, tem-se um laço de controle para manter o nível, dependendo da
carga da caldeira. O laço de controle utilizará como variável de processo o sinal do
transmissor do analisador de oxigênio dos gases de saída da caldeira, e como uma
saída de referência remota de um bloco de função não linear, que relecionará a
36
carga da caldeira a partir do sinal do fluxo de vapor, com o nível de oxigênio que é
desejada. Os valores de oxigênio desejados poderão variar entre 3,5 a 8% do
volume de ar.
O sinal de saída do laço de controle será o coeficiente de correção (Ko), a
aplicar-se à regulação do fluxo de ar total de combustão.
4.3.2: Correção por Variação de Temperatura dos Gases de Saída
O sinal de demanda de ar de combustão, modificado pelo coeficiente de
excesso de ar e oxigênio, se adicionará uma compensação dinâmica de tal forma
que as variações na temperatura dos gases de saída compensam o ar total como
um sinal de progresso e de forma dinâmica.
De tal forma, que o aumento rápido da temperatura na fornalha, provoca a
redução na quantidade total de ar e vice-versa.
4.3.3: Distribuição de Ar Total
Para atender as necessidades globais de combustão, o sinal de saída do laço
de controle de fluxo de ar total de combustão, se levará a um sistema de
distribuição. A distribuição será feita usando uma tabela paramétrica, que se
relaciona o poder calorífico (PCI) da biomassa com a quantidade de ar primário e
secundário. Com os seguintes valores:
Valor PCI kcal/kg Ar Primário kg/h (%) Ar Secundário kg/h (%)
4000 30% 70%
3500 35% 65%
3000 40% 60%
2500 50% 50%
2000 60% 40%
1500 70% 30%
Tabela 3 - Tabela paramétrica do poder calorífico
4.3.4: Controle de Fluxo de Ar primário
Da tabela acima se deduz o fluxo de ar primário, que deve entrar por baixo da
grelha, este sinal será levado como ponto de ajuste remoto do controlador de fluxo
37
de ar primário. O laço de controle de fluxo de ar primário a partir do PV medido no
intervalo de 0 a 70.000 kg/h é corrigido para a temperatura do ar tomado na saída
do aquecedor de ar/gases que atua na válvula de controle.
A válvula de controle de ar primário, com comando de parada BMS ou parada
da ventilação, será fechada e o controlador passará para o modo manual.
4.3.5: Controle de Fluxo de Ar Secundário
O segundo valor da tabela é o ajuste de ar secundário que será injetado pela
parte superior da fornalha e será distribuída em três níveis: inferior, médio e
superior, cada nível duas laterais (esquerda e direita). Este sinal será levado como
ponto de ajuste remoto ao controlador de fluxo de ar secundário, recebendo como
sinal de processo PV a diferença entre o fluxo total de ar e o fluxo de ar primário
corrigido pela temperatura.
Cada um dos atuadores de ar secundário, com o comando de parada do
BMS ou parada da ventilação deve ser fechado e o controlador passará ao modo
manual.
4.4: Temperatura de Vapor Superaquecido
O Vapor proveniente da caldeira é conduzido por três fases de
sobreaquecimento, SH1, SH2 e SH3, e dois conjuntos de atemperadores de vapor,
o primeiro localizado na saída do aquecedor SH1, e o segundo na saída do
aquecedor no SH2.
O vapor proveniente da caldeira é submetido a um primeiro
sobreaquecimento através de SH1, é então submetido a um arrefecimento
controlado por meio do primeiro atemperador, em que a temperatura do vapor é
controlada conforme for necessário.
O vapor resultante depois de passar através do primeiro atemperador é
submetido a um segundo sobreaquecedor SH2, e imediatamente entra no segundo
atemperador, no qual, caso seja necessário, será injeto água de controle de
temperatura de forma controlada, antes de serem submetidos ao ultimo
38
sobreaquecedor SH3. O vapor resultante entra na turbina a uma temperatura de
522°C.
4.4.1: Controle de Temperatura Final (Principal)
Para o controlador de temperatura final de vapor superaquecido na entrada
da turbina, existe um controlador principal, tomando como variável de processo uma
seleção das três medições da temperatura e de seu sinal de saída, agindo sobre as
referências remotas dos controladores escravos de cada atemperador. Este laço de
controle funciona sempre com um valor nominal fixo de 522°C, que é o ponto de
operação de projeto da turbina.
A ação deste controlador é inversa de modo que um aumento na referência
de temperatura (sinal PV aumenta) causa uma redução no sinal de saída. Além
disso, cada controlador escravo atuará nas respectivas válvulas de adição de água
temperada.
Como a maior quantidade de adição de água temperada deve-se injetar no
atemperador primário, e com a temperatura final do vapor (522°C), a preferência é
de controlar a temperatura no primeiro atemperador, sendo o segundo atemperador
um complemento de segurança.
No sistema BMS está implementando uma segurança crítica que diante de
falha simultânea de todo os três canais de entrada das três temperaturas de vapor,
provoca uma parada de caldeira, pois em tais circunstâncias não se pode garantir as
condições de temperatura de vapor superaquecido na turbina.
4.4.2: Controle Atemperador Primário
A temperatura do vapor de saída do atemperador primário é controlada por
um primeiro controlador escravo com uma faixa de atuação de 250 a 600°C.
Apresentando uma variável de processo com a temperatura de saída do
atemperador primário, atuando sobre a válvula de controle correspondente e
recebendo a referência remota da saída do controlador principal previamente
tratada. A ação de controle deste laço é inversa com o aumento da referência
remota provoca uma diminuição do sinal de saída.
39
4.4.3: Controle Atemperador Secundário
A temperatura do vapor de saída do atemperador secundário é controlada por
um segundo controlador escravo com a mesma faixa de atuação 250 a 600°C
Apresenta a variável de processo a temperatura, e atuando sobre a válvula de
controle correspondente, e recebendo como referência remota a saída do
controlador principal como no caso anterior. A ação deste controlador é inversa e
um aumento da referencia remota provoca uma diminuição do sinal de saída.
4.4.4: Intertravamento do Controle de Temperatura de Vapor
Diante de uma parada das duas bombas de alimentação de água da caldeira,
ou seja, quando a linha de transmissão está despressurizada, fecha-se
automaticamente a válvula On-Off motorizada e o controlador de temperatura
principal passará ao modo automático. No mesmo momento, os controladores
escravos também passaram ao modo manual com as respectivas saídas em
0(válvula fechada).
4.5: Sistema BMS (Burn Manager System)
Este subsistema é composto por um CLP independente do sistema de
supervisão feito pela WEG, que fica alocado num gabinete situado na caldeira junto
ao queimador. Este CLP possui uma interfase para troca de informações com o
sistema supervisório.
Toda gestão de segurança e lógica de funcionamento do queimador estão
integralmente implementadas neste CLP de segurança com ajuda de uma interface
IHM touch de 12” que esta colocada no gabinete do mesmo. O queimador se inicia
unicamente pelo CLP do sistema BMS através da IHM deste.
A parada do queimador pode ser realizada tanto do BMS como pelos
intertravamentos do próprio sistema ou por uma ordem do operador da caldeira
através do botão pulsador de emergência da caldeira.
As lógicas de segurança que foram implementadas no CLP do BMS
independe do sistema supervisório, mas a partir do ponto de vista do
40
funcionalmente da caldeira deve ser visto como um todo. Desta forma, a execução
das ordens da cadeia de segurança que intervenha no BMS intervirá no sistema
supervisório também.
4.5.1: Funcionalidades do Sistema BMS
4.5.1.1: Processos e Operações com o Queimador
A cadeia de segurança da caldeira abrange todas as condições de segurança
ou estados seguros que devem ser cumpridos em todos os momentos para a
operação normal e segura da caldeira. A ausência de apenas um deles causaria a
parada imediata da caldeira e do queimador. Quando isto acontecer deve-se
interromper imediatamente todo o fluxo de ar e qualquer fluxo de qualquer
combustível (biomassa ou diesel), para reduzir o mais rápido possível a carga de
calor latente na fornalha, uma vez que uma parada súbita é impossível devido à
grande inércia térmica do sistema.
Esta cadeia de segurança é da máxima importância para a caldeira, e serve
como um sistema de vigilância permanente para o funcionamento normal e seguro
da mesma. Esta cadeia de segurança afetará não somente o sistema de combustão
de biomassa, mas também todas as manobras com o queimador. Tais garantias são
detalhadas a seguir:
1) Sem parada do ventilador de exaustão
2) Sem parada do ventilador de inserção
3) Sem alarme de muito baixo nível no Balão de vapor
4) Sem alarme de muito alta pressão na fornalha
5) Sem alarme de muito alta temperatura de vapor superaquecido
6) Sem alarme de pressão de ar baixa nos instrumentos
7) Sem parada de emergência
8) Sem alarme de muito alta pressão na caldeira
9) Sem alarme de muito baixo fluxo de ar de combustão
41
10) Sem falha de hardware dos três canais analógicos de sinal de nível do
balão de vapor
11) Sem falha de hardware dos três canais analógicos de sinal de
temperatura de vapor superaquecido
Todos os sinais que correspondem às condições anteriores fazem parte da
estrutura de entradas e saídas do CLP de segurança do BMS, e juntamente com
outros sinais e informações de importância, formarão o sistema de segurança da
caldeira, de modo que, serão monitorados a todo o momento.
O sistema de segurança da caldeira trocará informações com o supervisório
para sempre informá-lo sobre as condições de segurança da caldeira.
Figura 6 - Figura típica com detalhes das diferentes seguranças da caldeira e do queimador.
4.5.2: Funcionamento do Queimador a Diesel
4.5.2.1: Queimador de Arranque da Caldeira (a Diesel)
Como importante recurso da Caldeira, constituindo parte de seu sistema de
42
combustível, está prevista a instalação de um queimador de diesel para arranque e
Start-up de 10MW de potencia térmica, (10% da capacidade da caldeira) para as
operações de Start-up da caldeira em condições de arranque a frio, antes da
primeira introdução de biomassa na fornalha.
Primeiramente, devem ser criadas as condições térmicas necessárias (carga
de incêndio na fornalha), que posteriormente permitirão a combustão de biomassa.
Também é utilizado em outras possíveis circunstâncias de caráter extraordinário,
quando é necessário usar o queimador de arranque, principalmente por queda de
carga calorífica na fornalha, causada por má qualidade do combustível de biomassa.
Este queimador será responsável por iniciar o fogo na fornalha e criar as
condições térmicas de temperatura necessárias nos circuitos de vapor, como da
caldeira fria para alcançar as condições de estabilidade necessárias para o
funcionamento da caldeira, da turbina e do gerador.
4.5.2.2: Condições para a Extração dos Gases da Fornalha (Prévio
Acendimento)
Em primeiro lugar, é necessário um fluxo mínimo de ar para fazer a extração
dos gases da fornalha, que será um parâmetro modificável exclusivamente pelo
BMS através da IHM. Este parâmetro de fluxo de ar necessário para as operações
de extração/acendimento que corresponde com o ar mínimo de carga mínima na
caldeira.
A extração dos gases com ar do ventilador de exaustão deve ser feito em
situações de primeiro arranque, com a caldeira fria (sem carga de calor na fornalha).
As condições para começar a extração são:
1) As válvulas de diesel fechadas;
2) Queimador retraído e não inserido;
3) Ignitor retraído e não inserido;
4) Sem chama na fornalha;
5) Todas as comportas de biomassa fechadas;
43
6) Laço de controle de pressão de ar de combustão em automático;
7) Laço de controle de fluxo de ar total em automático;
8) Laço de controle de pressão da fornalha em automático.
Podemos ver na figura a seguir os detalhes típicos de uma tela de
acendimento do queimador.
Figura 7 – Tela de visualização do queimador operando na IHM do BMS
4.5.2.3: Operação de Extração dos Gases
Com a ordem de extração se iniciará a contagem de um tempo (T4),
certificando-se de manter as condições de extração inalterada durante esse tempo.
Uma vez terminado, será concluída a operação sendo permitido o acendimento do
queimador.
Esta permissão para acender estará vigente durante um tempo prefixado no
CLP. Posteriormente, se não for aceso, deverá repetir o processo novamente, pois a
validade da extração expirou.
44
4.5.3: Condições para Acendimento do Queimador (Caldeira a Frio)
As condições anteriores para extração são necessárias nos casos em que é
necessário extrair os gases da fornalha antes. No caso de não ser necessária a
extração, poderá se proceder ao acendimento do queimador, respeitando as
condições de ignição. Essas condições são:
1) Cadeia de segurança da caldeira OK;
2) Sem baixa pressão no diesel;
3) Sem baixa pressão no ar de automação;
4) Válvulas de diesel fechadas (Exceto nas etapas, 9 e 10);
5) Queimador retraída e não inserido (Exceto nas etapas, 7,8, 9 e 10);
6) Ignitor retraídas e não inserido (Exceto nas etapas, 8, 9 e 10);
7) Sem presença de chama na fornalha (Exceto nas etapas 9 e 10);
8) Válvula de diesel aberta (Exceto na etapa 6);
9) Laço de controle de pressão de ar de combustão em automático;
10) Laço de controle de fluxo de ar total em automático;
11) Laço de controle de pressão da fornalha em automático;
12) Sem falha de comunicação entre o BMS e o supervisório.
4.5.4: Acendimento do Queimador com Caldeira a Frio
Apresentando as condições anteriores satisfeitas e com a caldeira parada,
sem carga na fornalha, pode-se dar início ao queimador. Esta situação será
adequada para o aquecimento inicial de toda a instalação, como da caldeira, dos
tubos de vapor, dos circuitos dos condensadores, turbinas, etc.
4.5.4.1: Processo de Acendimento Correto
Confirmada a finalização da extração dos gases ou por não ser necessária
esta função, possibilita-se o início do processo de acendimento do queimador.
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Uma vez ativado a ordem de acender o queimador, indica-se abrir a comporta
do queimador, momento onde se introduz o queimador. Em sequência, se introduz o
ignitor. Uma vez confirmada a introdução do dispositivo de ignição, irá abrir as duas
válvulas de diesel, e ao mesmo tempo será ativara o ignitor durante um tempo
determinado. Este tempo determina a permanência do dispositivo de ignição e de
ativação de faíscas de ignição. Caso após transcorrer o tempo de segurança e
detectar-se a chama, o queimador estará aceso.
4.5.5: Arranque do Queimador com Carga de Incêndio na Fornalha
Nesta situação, supondo que a caldeira foi interrompida (Parada curta), por
qualquer motivo, ou simplesmente porque as condições de combustível de
biomassa assim aconselham. No primeiro caso, serão respeitadas as condições de
extração de gases já apresentadas e se atuará em seguida.
No segundo caso (excepcional), a queima da biomassa está em andamento
e, não é possível um processo de extração, pois tem carga de incêndio e
provavelmente chama. Por consequência, só poderá acender o queimador se forem
cumpridas as condições de segurança da caldeira e de acendimento detalhados
anteriormente.
4.5.6: Condições para Funcionamento do Queimador
Uma vez que o queimador está em funcionamento norma, devem-se cumprir
todas as condições de segurança para um funcionamento seguro. Caso não sejam
cumpridas todas as condições o queimador parará. Estas são:
1) Cadeia de segurança da caldeira OK;
2) Comporta do queimador aberta;
3) Queimador inserido;
4) Ignitor retraído (Exceto na etapa 11);
5) Válvulas de diesel aberta;
6) Sem alarme de baixa pressão de diesel;
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7) Sem alarme de baixa pressão no ar de automatização;
8) Presença de chama na fornalha.
4.5.7: Sequência de Parada de Caldeira
Caso as condições da cadeia de segurança não sejam cumpridas, ocorrerá o
disparo de TRIP de caldeira. Acarretando nas seguintes ações:
Ações implementadas no supervisório
1. Desligamento imediato das linhas de alimentação de biomassa;
2. Ordem de parada do ventilador de inserção;
3. Passar para o modo manual os laços de controle de ar primário e
secundário, além do fechamento simultâneo de todas as comportas;
4. Passar para modo Tracking o laço de Controle de ar total de combustão
com sinal de saída com set do arranque do ventilador de inserção.
Ações executadas no BMS
1. Passar para o estado de "Falha de segurança na caldeira” e parar
imediatamente o queimador de diesel, caso esteja funcionando;
2. Envio do estado para o supervisório o que provoca a parada do ventilador
de inserção;
3. Contagem do tempo de segurança (T-15) para parada completa da
caldeira (Mensagem no BMS de “Parada de Caldeira”);
4. Terminando o tempo será dado o comando de parada do ventilador de
exaustão;
5. Passar para o estado de “Parada Completa” da caldeira.
4.6: Controle Sincronização da rede elétrica
Para exportar energia para a rede elétrica é necessário uma sincronia, já
mencionada neste documento. Existem dois equipamentos que são a chave para o
controle e monitoração da rede.
47
O DSLC – Digital Synchronizer and Load Control – é um equipamento
destinado a trabalhar com sincronismo automático das redes, controle de carga
ativa, e controle e divisão de carga reativa. Ele comanda em Barra Morta ou em
sincronismo somente o disjuntor do gerador. [18]
O MSLC – Master Synchronizer and Load Control – é o equipamento
destinado a fazer o controle de importação e exportação, controle de reativos e
sincronismo automático do disjuntor da concessionária quando o mesmo está em
comunicação exclusivamente com o DSLC. Para controlar as variáveis da rede do
cliente, o DSLC deverá trabalhar em conjunto com o regulador de velocidade da
turbina e também comandar o regulador de tensão do gerador, conhecido por AVR
– Automatic Voltage Regulator. [17]
O regulador de velocidade da turbina tem função de fornecer ao DSLC a
leitura da velocidade atual da turbina e um setpoint de velocidade a um conversor do
tipo corrente-pressão, também chamado CPC – Current to Pressure Converter. O
CPC converte o setpoint remoto de corrente na faixa de 4-20mA em comando aos
servomotores de acionamento das válvulas de controle de admissão de vapor. O
controle da abertura destas válvulas permite aumentar ou diminuir a velocidade da
turbina devido à variação na taxa de admissão de vapor. [19]
O regulador de tensão do gerador é um dispositivo eletrônico controlado pelo
DSLC, e que tem por finalidade monitorar a tensão terminal do gerador e mantê-la
constante no valor ajustado, independente das variações da carga. Possui também
circuitos para ajustes e proteções para assegurar um controle confiável do gerador.
[19]
O DSLC e o MDSLC contam com uma porta ethernet para disponibilizar todos
os comandos e grandezas elétricas para o sistema supervisório. Na figura 8 pode-se
ter uma visão geral do funcionamento do sistema.
48
Figura 8 - Visão geral de um sistema de geração de energia
4.6.1: Proteção
Na turbina e no gerador existem equipamentos de proteção para proporcionar
uma maior segurança ao sistema. Estes sistemas são capazes de parar o sistema,
ocasionar um TRIP no sistema que estiver operando fora das especificações.
Assim, os principais elementos de segurança da turbina são medidores de
sobrevelocidade, pois caso haja perda de carga/excitação o sistema tende a
aumentar indefinidamente a rotação; medidores de vibração, pois
desbalanceamentos no eixo podem levar a uma vibração excessiva e deslocamento
do mesmo; sensores de temperatura nos mancais da turbina, pois altas
temperaturas são indesejáveis, comprometendo lubrificação e comportamento ideal
dos materiais construtivos. Na turbina, o TRIP é comandado pela atuação da válvula
de fecho rápido na admissão de vapor. [19]
No gerador está instalado um relé de proteção que atua na abertura do
disjuntor do gerador caso haja afundamento de tensão, sobretensão, sub e
sobrefrequência, potência reversa, curto à terra ou curto entre fases, entre outros.
Este relé também atua na turbina, com a mesma ação de controle. [19]
49
Capítulo 5: Controlador Lógico Programável
Neste tópico será explicado o funcionamento do CLP e as ferramentas
utilizadas no projeto no que tange o desenvolvimento de lógicas para o CLP
Rockwell.
5.1: Introdução
O controlador lógico programável é um sistema eletrônico desenvolvido
especialmente para uso industrial, embora hoje tenha outras aplicações como a
automação residencial. O hardware é constituído basicamente de um CPU e da
memória RAM muito parecido com um computador, por possuir um software
desenvolvido especificamente para o seu hardware. O sistema apresenta uma
velocidade de execução muito mais rápida que o computador. Como o CLP foi
desenvolvido para o ambiente industrial também possui grande robustez.
O CLP foi projetado de forma modular, módulos de diferentes tipos podem
ser adicionados. Estes podem ser módulos de comunicação, módulos de entradas e
saídas analógicas entre outros. Através dos módulos do CLP podemos implementar
diversas funções especificas para controlar inúmeros processos. O ciclo básico de
funcionamento é mostrado na figura 9.
Figura 9 - Ciclo básico do CLP
Ao iniciarmos o CLP os sinais existentes nas entradas analógicas e/ou digital
são transferidos para a memória RAM. Desta forma, inicia-se o ciclo de scan do
50
software aplicativo – que é o programa que foi transferido para o CLP – com as
informações das entradas são executadas as lógicas programadas. Ao fim da
execução são atualizadas todas as saídas digitais e/ou analógicas do CLP.
Fechando assim o ciclo de scan.
O sistema conta com seis CLPs, sendo dos seguintes sistemas: turbina, BMS
(Burn Manager System), filtro de mangas, do sistema caldeira / alimentação de
biomassa (que conta com dois CLPs redundantes) e o ultimo CLP do sistema é o
gerador. Os três primeiros não serão programados pela WEG, cabendo a este
projeto apenas as leituras das entradas e saídas para a supervisão e a instalação de
alguma lógica no supervisório mediante pedido dos responsáveis por esses CLPs.
Os três CLPs que serão programados pela WEG neste projeto são fabricado
pela Rockwell Automation da marca Allen-Bradley para o gerador será utilizado o
modelo compacto 1768-L43 e para o sistema da caldeira/alimentação de biomassa
é utilizado dois CLPs 1756-L72 que atuaram de forma redundante. O software para
programar os CLPs das Rockwell é o RSLogix 500 de desenvolvimento da própria
Allen-Bradley.
5.2: Software
A norma IEC 61131-3 define cinco tipos de linguagens de programação para
CLPs. No ambiente de programação da Rockwell, que é o RSLogix500, oferece
quatro tipos de linguagens a Ladder, Function Block, Sequential Function Chart e
Structured Text. Neste software configura-se o tipo de CPU utilizado, todos cartões
de E/S, arquivos que serão executados, separação de blocos de memória em
módulos destinados a tipos específicos de dados, mapas de memória e lógicas de
intertravamentos.
No RsLogix500 se permite utilizar as quatro linguagens em um mesmo
software aplicativo, ou seja, você pode fazer as sub-rotinas com qualquer uma das
linguagens oferecidas. Em todas as linguagens é possível fazer as lógicas
desejadas, porém algumas lógicas que apresentam muitos sinais de intertravamento
para uma mesma saída torna mais fácil a visualização no Function Block. Em outros
casos quando se vai programar um determinado bloco para ser utilizado varias
51
vezes é mais fácil se usar Structured Text. No projeto foram utilizadas as quatro
linguagens, o que foi bastante enriquecedor e desafiador para o desenvolvimento do
estagiário como projetista.
5.3: Hardware Utilizado
O hardware foi projetado com capacidade para cumprir todas as
especificações do sistema. Como cada subsistema tem suas peculiaridades, cada
CLP possui um hardware especifico para aquela necessidade.
5.3.1: CLP Caldeira/Alimentação de Biomassa
No principio do projeto se pensou em um CLP para a caleira e outro para a
alimentação de biomassa, contudo como os dois sistemas são intrínsecos, julgou-se
mais adequado o uso de um CLP para todo o sistema para que os intertravamentos
entre os dois sistemas estejam a cargo de apenas um CLP. Como o sistema é
critico e qualquer falha no CLP pode ter consequências catastróficas se optou por
usar dois CLP redundantes.
Cada CLP conta com:
Módulo de comunicação controlnet
Módulo de comunicação ethernet
Módulo de redundância
De forma redundante os dois CLPs estarão conectados a mais dois racks –
sendo o rack 01 destinado aos sinais da caldeira e o rack 02 aos sinais da
alimentação de biomassa – com as seguintes configurações:
Rack 01:
01 módulo de comunicação ethernet
01 módulo de comunicação controlnet
04 módulos de entradas digitais com 32 portas
01 módulos de saídas digitais com 32 portas
52
01 módulo de entrada analógica com 16 portas
01 módulo de saída analógica com 8 portas
01 Placa CEGA
Rack 02:
01 módulo de comunicação ethernet
01 módulo de comunicação controlnet
03 módulos de entradas digitais com 32 portas
01 módulo de saída digital com 32 portas
01 módulo de entrada analógica com 16 portas
01 módulo de saída analógica com 8 portas
03 placas CEGA
Tendo assim um total de:
Entradas digitais: 224
Saídas digitais: 64
Entradas analógicas: 32
Saídas analógicas: 16
Esse número de entradas e saídas conta com uma sobra de projeto calculado
em 20% para mais, e como os módulos são pré-fixados com, por exemplo, entradas
ou saídas digitais, o modulo tem 32 portas obrigatoriamente,logo se precisarmos de
20 portas para equivaler a 20% teríamos que adicionar um modulo com 32 portas o
que resultara em uma sobra superior a 20%. Essa sobra serve para futuras
expansões ou mesmo pelo fato de que durante o Start-up se necessita incluir novos
sinais para conseguir alcançar as especificações exigidas.
5.3.2: CLP Gerador
Para o gerador se especificou um CLP do tipo compacto, com os seguintes
módulos:
53
02 módulos de comunicação ethernet
01 módulo de comunicação de devicenet
01 módulo de entrada analógica com 16 portas
02 módulos de saída analógica com 8 portas
03 módulos de entradas digitais com 32 portas
02 módulos de saída digitais com 32 portas
Tendo assim um total de:
Entradas digitais: 96
Saídas digitais: 64
Entradas analógicas: 16
Saídas analógicas: 16
O modulo de comunicação ethernet é usado para se comunicar com o
sistema supervisório e o segundo módulo para se comunicar com as torres de
resfriamento que serão controladas através de uma estação remota da marca Murr
e controlada por este CLP. O módulo de comunicação devicenet é utilizado para se
comunicar com o CCM da torres de resfriamento.
Tendo o hardware dos CLPs definidos visando às necessidades para se
controlar o sistema, ou seja, tendo todas as entradas e saídas necessárias para que
se tenha acesso a todos os sinais necessários, inicia-se a implementação da lógica
do CLP.
54
Capítulo 6: SCADA
A definição de como devem ser as telas do supervisório é guiada por normas
internas da WEG. As indicações usadas para equipamentos elétricos seguem as
normas de regulamentação de projetos elétricos. Por exemplo, normalmente se
escolheria a cor verde para um motor em funcionamento, contudo na regra se
especifica que equipamentos energizados devem estar em cor vermelha como
aviso, e quando estiverem desenergizados na cor verde estando assim seguro para
manipulação.
Neste tópico será explicado o funcionamento do sistema supervisório e as
ferramentas utilizadas no projeto no que tange o desenvolvimento deste sistema na
plataforma Elipse.
6.1: Introdução
Os sistemas supervisórios permitem que sejam monitoradas e rastreadas
informações de um processo produtivo ou instalação física. Tais informações são
coletadas através de equipamentos de aquisição de dados e, em seguida,
manipuladas, analisadas, armazenadas e posteriormente, apresentadas ao usuário.
Estes sistemas também são chamados de SCADA (Supervisory Control and Data
Aquisition). [4]
Os primeiros sistemas SCADA, basicamente telemétricos, permitiam informar
periodicamente o estado corrente do processo industrial, monitorando sinais
representativos de medidas e estados de dispositivos. Era feito através de um painel
de lâmpadas e indicadores, sem que houvesse qualquer interface manipulável pelo
operador. [4]
Atualmente, os sistemas de automação industrial utilizam tecnologias de
computação e comunicação para automatizar a monitoração e controle dos
processos industriais. Desta forma, efetua a coleta de dados em ambientes
complexos, eventualmente dispersos geograficamente, e a respectiva apresentação
de modo amigável para o operador, com recursos gráficos elaborados (interfaces
55
homem-máquina) e conteúdo multimídia. [4]
Para permitir isso, os sistemas SCADA identificam os tags, que são todas as
variáveis numéricas ou alfanuméricas envolvidas na aplicação, podendo executar
funções computacionais (operações matemáticas, lógicas, com vetores ou strings,
etc) ou representar pontos de entrada/saída de dados do processo que está sendo
controlado. Neste caso, correspondem às variáveis do processo real (ex:
temperatura, nível, vazão, entre outros) se comportando como a ligação entre o
controlador e o sistema. É com base nos valores das tags que os dados coletados
são apresentados ao usuário.
Os sistemas SCADA podem também verificar condições de alarmes,
identificadas quando o valor da tag ultrapassa uma faixa ou condição pré-
estabelecida. Desta forma, torna-se possível programar a gravação de registros em
bancos de dados, ativação de som, mensagem, mudança de cores, envio de
mensagens por pager, e-mail, celular, entre outros.[4]
6.2: Componentes físicos de um sistema de supervisão
Os componentes físicos de um sistema de supervisão podem ser resumidos
de forma simplificada em: sensores e atuadores, rede de comunicação, estações
remotas (aquisição/controle) e de monitoração central (sistema computacional
SCADA). [5]
Os sensores são dispositivos conectados aos equipamentos controlados e
monitorados pelos sistemas SCADA, que convertem parâmetros físicos, tais como
velocidade, nível de água e temperatura, para sinais analógicos e digitais legíveis
pela estação remota. Os atuadores são utilizados para atuar sobre o sistema,
ligando e desligando determinados equipamentos.
O processo de controle e aquisição de dados inicia-se nas estações remotas,
CLPs (Programmable Logic Controllers) e UTRs (Remote Terminal Units), com a
leitura os valores atuais dos dispositivos que a ele estão associados e seu
respectivo controle. Os CLPs e UTRs são unidades computacionais específicas,
utilizadas nas instalações fabris (ou qualquer instalação que se deseje monitorar)
para a funcionalidade de ler entradas, realizar cálculos ou controles, e atualizar
56
saídas. A diferença entre os CLPs e as UTRs é que os primeiros possuem mais
flexibilidade na linguagem de programação e controle de entradas e saídas,
enquanto as UTRs possuem uma arquitetura mais distribuída entre sua unidade de
processamento central e os cartões de entradas e saídas, com maior precisão e
sequenciamento de eventos. [5]
A rede de comunicação é a plataforma por onde as informações fluem dos
CLPs/UTRs para o sistema SCADA. Considerando os requisitos do sistema e a
distância a cobrir, esta pode ser implementada através de cabos Ethernet, fibras
ópticas, linhas dial-up, linhas dedicadas, rádio modems, entre outros. [5]
As estações de monitoração central são as unidades principais dos sistemas
SCADA. Estes são os responsáveis por recolher a informação gerada pelas
estações remotas e agir em conformidade com os eventos detectados. Podem ser
centralizadas num único computador ou distribuídas por uma rede de computadores,
de modo a permitir o compartilhamento das informações coletadas. [13]
6.3: Componentes lógicos de um sistema SCADA
Internamente, os sistemas SCADA geralmente dividem suas principais
tarefas em blocos ou módulos, que vão permitir maior ou menor flexibilidade e
robustez, de acordo com a solução desejada. [7]
Em linhas gerais, podemos dividir essas tarefas em:
Núcleo de processamento;
Comunicação com CLPs/UTRs;
Gerenciamento de Alarmes;
Históricos e banco de dados;
Lógicas de programação interna (Scripts) ou controle;
Interface gráfica;
Relatórios;
Comunicação com outras estações SCADA;
Comunicação com Sistemas Externos / Corporativos;
Outros.
A regra geral para o funcionamento de um sistema SCADA parte dos
57
processos de comunicação com os equipamentos de campo, cujas informações são
enviadas para o núcleo principal do software. O núcleo é responsável por distribuir e
coordenar o fluxo dessas informações para os demais módulos, até chegarem à
forma esperada para o operador do sistema, na interface gráfica ou console de
operação com o processo, geralmente acompanhadas de gráficos, animações,
relatórios, etc, de modo a exibir a evolução do estado dos dispositivos e do processo
controlado, permitindo informar anomalias, sugerir medidas a serem tomadas ou
reagir automaticamente. [7]
As tecnologias computacionais utilizadas para o desenvolvimento dos
sistemas SCADA têm evoluído bastante nos últimos anos, de forma a permitir que
aumente sua confiabilidade, flexibilidade e conectividade. Também inclui novas
ferramentas que permitem diminuir cada vez mais o tempo gasto na configuração e
adaptação do sistema às necessidades de cada instalação. [7]
6.4: Funções do sistema SCADA
São três as principais funções do sistema SCADA [13]:
Funções de supervisão: Inclui todas as funções de monitoramento do
processo, tais como: sinóticos animados, gráficos de tendência de
variáveis analógicas e digitais, relatórios em vídeo e impressos, entre
outros.
Funções de operação: Inclui a ação direta sobre os atuadores
permitindo enviar comandos como ligar e desligar equipamentos e
sequência de equipamentos, operação de malhas com controle PID,
mudança de modo de operação de equipamentos, entre outros.
Funções de controle: Alguns sistemas possuem opções específicas
para atuação automática sobre o sistema em determinadas situações
pré-programadas de acordo com a necessidade e possibilidade de ter
esse tipo de automatismo sobre o processo supervisionado.
58
6.5: Elipse E3
O software SCADA escolhido para o projeto foi o E3 da Elipse Software, o
qual oferece um avançado modelo de objetos e uma ótima interface gráfica.
Apresenta uma arquitetura amigável que permite o rápido desenvolvimento de
aplicações e grande conectividade com dispositivos e outros aplicativos. Esta
concepção incorpora as mais novas tecnologias em desenvolvimento de software,
maximizando o desempenho, a produtividade e a qualidade de suas aplicações e do
próprio processo, minimizando perdas e custos.
Os sistemas construídos com o E3 partem da coleta de dados em tempo real
de equipamentos de aquisição de dados ou de controle, como os CLPs
(Controladores Lógicos Programáveis), centrais de incêndio e balanças, dentre
outros dispositivos. Estes equipamentos normalmente possuem alguma interface
que permitem sua conexão ao software, como padrões seriais RS232, RS422 ou
RS485; rádio ou modem (linhas privadas ou discadas), TCP/IP ou UDP/IP, placas
ligadas diretamente no barramento do computador e outros. O E3 lê e escreve
dados dos equipamentos através de módulos (drivers de comunicação) que
implementam o protocolo (de Domínio público ou privado) disponível em cada um
desses equipamentos. Esses drivers podem ainda estar em um formato próprio da
Elipse Software ou no formato OPC (OLE for Process Control). [15]
De posse dos dados, é possível criar várias maneiras para exibir, analisar,
controlar, comandar, gravar ou divulgar tais informações, dentre elas: [15]
a) Telas: permitem criar uma IHM (Interface Homem-Máquina) localmente,
pela rede local ou Internet, com o intuito de exibir o status atual ou
passado dos dados em várias formas, com o auxílio de um editor gráfico
e objetos específicos;
b) Alarmes e Eventos: monitoram o acontecimento de situações específicas;
c) Históricos: armazenam os dados em bancos de dados relacionais;
d) Relatórios: permitem visualizar e imprimir os dados, dentre outros
módulos e possibilidades.
59
6.6: Driver de Comunicação
A comunicação com equipamentos de aquisição de dados, controladores,
CLPs, UTRs, ou qualquer outro tipo de equipamento, é feita através de Drivers de
Comunicação próprios ou Servidores OPC, de acordo com o tipo do equipamento ou
tipo de comunicação necessária.
A aquisição e envio de dados para os dispositivos conectados ao sistema
supervisório é fundamental para manter o operador ciente dos estados atuais do
sistema. Assim, pode agir no sistema de forma coesa, controlando os equipamentos
que estejam conectados ao sistema. A comunicação do supervisório com os demais
equipamentos conectados à rede é realizada através de TCP/IP, utilizando uma
placa de rede ethernet.
6.7: Gerenciamento de Dados
O gerenciamento de dados consiste na manipulação, adaptação, modificação
e intercambio de dados entre as aplicações do sistema. Desta forma, todas as
informações do sistema são armazenadas. O gerenciamento também é responsável
por controlar o acesso do sistema supervisório, tendo assim vários níveis de acesso
e impedindo que telas sejam acessadas por pessoas sem autorização. Por exemplo,
o impedimento do acesso de um operador nas telas de engenharia ou mesmo
impedindo o operador de fechar o sistema supervisório em meio ao funcionamento
do sistema. Assim, o computador é usado apenas para supervisionar o sistema.
Como o foco do projeto é o gerenciamento da central termoelétrica, a função
de armazenamento dos dados é fundamental para podermos estudar o processo de
forma mais consistente, podendo acessar as informações posteriormente e
descobrir possíveis causas de falha no sistema. Assim, torna-se possível agir no
problema e prevenir que ocorra novamente no futuro, ou podemos também fazer um
estudo do comportamento do sistema ao longo do tempo.
Para banco de dados foi utilizado o Microsoft SQL Server, onde os dados
serão armazenados por no mínimo três meses, porém algumas informações sobre a
biomassa serão mantidas por um ano para posterior estudo do cliente na qualidade
60
do material recebido.
6.8: Servidor de Alarmes
Todos os alarmes são centralizados no servidor de alarmes do projeto e o
servidor é responsável pela verificação de estados não desejados ou fora do comum
dos equipamentos do sistema e na apresentação destes estados para o operador
na forma de alarme, devendo armazená-los no banco de dados.
Os alarmes são programados para serem ativados quando a ocorrência
destes estados não desejados, e mostrar para o operador. O alarme somente
desaparecerá mediante reconhecimento do operador mesmo que a situação tenha
voltado ao normal o operador deve reconhecer o alarme para mostrar para o
supervisório que ele está a par do problema ocorrido.
Os alarmes mais críticos do sistema podem gerar TRIP do sistema, ou seja,
uma parada do sistema por medida de segurança.
6.9: Redes de Comunicação
Para que os processos troquem informação entre si é utilizado uma rede de
comunicação projetada para utilizar o meio mais confiável e rápido que cada
subsistema permite, conforme as suas peculiaridades. Na figura 10 é apresentada a
arquitetura de comunicação do sistema.
61
Figura 10 - Arquitetura de Comunicação.
6.9.1: Hot Standby
O Hot-Standby permite a implementação do conceito de fail-over em um
sistema supervisório. Esse conceito consiste na possibilidade de existirem dois
servidores (principal e backup) atuando um como contingência do outro, ou seja, se
o servidor principal falhar, um servidor de backup entra em ação imediatamente,
sem perda da continuidade do processo. O servidor em espera é identificado como
em Standby.
Assim, a ferramenta de Hot-Standby do supervisório tem como objetivo
permitir que um servidor fique em estado de espera (standby), aguardando uma
possível falha de um outro servidor (servidor ativo).
6.9.2: Comunicação com os CLPs
A comunicação do sistema supervisório com os CLPs será realizada
utilizando ethernet com protocolo TCP/IP. O meio físico de ethernet é largamente
utilizado desde os anos 70, através da implementação do protocolo TCP/IP, o qual
fornece a possibilidade de uma forma segura de se misturar vários protocolos em
62
uma única linha de comunicação com um dispositivo.
Nos CLPs do gererador e do subsistema caldeira/alimentação de biomassa, o
sistema supervisório poderá ler e escrever valores no CLP, por exemplo forçando
valores de PV. Porém, entre os CLPs não desenvolvidos pela WEG, o supervisório
somente vai adquirir os dados e mostrar na tela do supervisório sem permitir que o
operador escreva no CLP.
63
Capítulo 7: Sistema Implementado
Após o estudo do sistema e a partir das definições de hardware e circuitos
elétricos do sistema, inicia-se o desenvolvimento dos softwares aplicativos.
Idealmente se desenvolveria as lógicas de CLP e, posteriormente, o sistema
supervisório. Contudo, para diminuir o tempo total de projeto os dois
desenvolvimentos ocorreram em paralelo. Para melhor entendimento do leitor,
primeiro se explica a programação dos CLPs e posteriormente o sistema
supervisório
7.1: Programação dos CLPs
O primeiro CLP desenvolvido foi o do gerador, e para os geradores
produzidos pela WEG já existem programas padrões para se desenvolver a lógica
do CLP. Desta forma, o projeto deste CLP é rápido e de baixa complexidade.
Partindo do projeto padrão do gerador se desenvolve as partes especificas
relacionada a este projeto.
Primeiramente, é feita a adaptação de hardware no Projeto padrão, que
consiste em declarar o modelo de CLP que vai ser utilizado, bem como os módulos
que serão inseridos no CLP do projeto.
Depois de ter sido declarado todos os módulos, é feito uma copia de todo o
conteúdo lido nas portas do CLP, ou seja, as entradas e saídas, para marcadores
internos que serão utilizados nas lógicas do CLP. Assim, caso exista a necessidade
de alguma alteração de endereço físico, de alguma entrada, não é necessário
rastrear ela em todo o código do CLP, basta mudar este endereço no mapeamento
da mesma.
A partir deste ponto se inicia o desenvolvimento de todas as lógicas do CLP,
como alarmes de TRIP, acionamento de Bombas, definições de PID, entre outros. A
partir de todas as lógicas prontas inicia-se a validação do código. Primeiramente, é
feita uma inspeção do código com o analista e, posteriormente, são feitas
simulações. Após estas etapas, iniciam-se os testes de comunicação com o sistema
64
supervisório para, por fim, a aprovação do código.
No projeto do gerador foi utilizada a linguagem Ladder em praticamente todos
os subsistemas do código, com exceção do subsistema que converte as saídas
analógicas – que consiste na conversão das variáveis internas (que estão em
alguma escala pré-definida) para as saídas físicas do CLP (com sinal de 4mA à
20mA) – que é feita em Function Block, pois fica mais compreensível e verificável. A
figura 11 ilustra o ambiente de programação dos CLPs da Rockwell.
Figura 11 - Ambiente de Programação do CLP Rockwell.
No CLP do sistema Caldeira/Alimentação de Biomassa foi utilizado as quatro
linguagens presentes no RSlogix500. As rotinas do sistema que possuíam um
numero superior a quatro condições para alterar uma saída teve a preferência de
usar Function Block, nas rotinas que se tornam muito complexas se utilizou
Structured Text, a rotina dos sopradores de fuligem fico mais fácil de visualizar o
ciclo total por Sequencial Function Chart, nas outras rotinas usou-se Ladder.
No caso deste sistema, a parte da caldeira existe um projeto padrão para ser
seguido e adaptado para cada tipo de caldeira o que torna o sistema relativamente
65
mais rápido de programar, contudo por possuir vários laços de controle o sistema
pode tornar-se demorado e complexo de se programar.
A parte do sistema correspondente a Alimentação de Biomassa varia de
sistema para sistema, sendo sempre criada do a partir do zero. O grande problema
desta parte é a constante mudança física do sistema. Este fato ocorre, pois o
sistema ainda está em fase de projeto e na implementação são feitas mudanças
conforme a necessidade para atender a demanda da caldeira, como posição de
sensores inserção ou exclusão de sensores entre outras.
Através de um diagrama de controle feito pela fabricante da caldeira, no caso
deste projeto a TERMISA, são apresentadas todas as especificações de controle da
caldeira. A partir destas informações tornou-se possível especificar todos os
controladores PIDs e todas as álgebras necessárias no CLP. A Figura 12 ilustra um
exemplo de diagrama de controle.
Figura 12 - Diagrama de Controle.
Através de simulação podemos verificar se a lógica foi corretamente criada
para anteder tanto o descritivo funcional do sistema como o diagrama de controle
passado pelo fabricante. É importante fazer uma simulação minuciosa para assim
diminuirmos o tempo de Start-up, evitando mudanças mais drásticas no código e
66
deixando apenas pequenos ajustes a serem feitos em campo.
Para diminuir o tempo que o supervisório usa para ler a memória do CLP, é
feito uma copia de todo o seu conteúdo para uma região única. Assim, o que será
visualizado é apenas o bloco único da memória contendo todas as variáveis dos
processos. Dados que são escritos pelo supervisório também são armazenados em
um bloco único de dados no CLP e, posteriormente, copiados para as regiões
específicas de memória que são utilizadas nas lógicas do CLP.
7.2: Sistema Supervisório
A realização do sistema supervisório é a parte do projeto que mais demanda
tempo de elaboração. Para ser mais ágil e acompanhar o prazo de entrega, inicia-se
seu desenvolvimento juntamente com o projeto do CLP. Esse tempo elevado deve-
se ao fato de ter a inserção de pop-up’s, colocação correta dos marcadores nas
telas e nos pop-up’s, matemáticas, alarmes, relatórios, gráficos, montagem de
planilhas de comunicação e configurações de IP, entre outros.
A WEG possui uma vasta gama de projetos feitos no sistema SCADA Elipse.
Para iniciar um projeto em Elipse é necessário seguir principalmente duas notas
técnicas de padronização de telas e de padronização de nomenclatura de variáveis.
Após a leitura das notas técnicas importa-se o projeto padrão juntamente com
as bibliotecas já desenvolvidas pela WEG, como por exemplo, a biblioteca para
inserção de inversores no projeto.
Após a cópia do projeto padrão é definida a árvore de navegação, que
consiste na definição pelo cliente de o que e como ele quer dividir o sistema. A partir
desta escolha inicia-se o desenho das telas, conforme os diagramas físicos
passados pelo cliente. Tudo o que não aparece nos diagramas, mas precisa ser
inserido na tela, é responsabilidade do projetista, passando por posterior aprovação
do cliente.
A próxima etapa é a criação das Tags, exclusivas do supervisório, bem como
a definição das suas propriedades, por exemplo se a tag é ou não retentiva. Seguido
para as adequações das animações e indicações nas telas conforme descritivo do
67
cliente e padrão WEG.
Partindo para a implementação de tabelas de comunicação entre CLP
supervisório e elaboração das rotinas auxiliares, fazendo adequações das
animações e indicações nas telas conforme padrões de projeto, bem como dos
gráficos e alarmes conforme necessidade do sistema.
Ao final é definido os níveis de acesso ao sistema e feito os ensaios e testes
de comunicação supervisório com o CLP. No término dos testes é gerada toda a
documentação sobre os sistemas desenvolvidos.
Os usuários do sistema são necessários para permitir acesso a determinadas
funções do sistema de supervisão, bem como permitir níveis de operação seguros
para o sistema. Alguns usuários podem ser habilitados como ‘Administrador’
permitindo o gerenciamento dos usuários no sistema. Foram definidos níveis de
acesso ao sistema:
1. Visitante – O grupo Visitante tem acesso apenas à tela de Abertura, sem
permissão para navegar pelo sistema.
2. Operação – O grupo Operação tem acesso à consulta e escolha de
receitas, alteração de parâmetros de referência via pop-up, impressão,
entrar no sistema, ou seja, todas as operações essenciais para
funcionamento do sistema de cada processo.
3. Manutenção – O grupo Manutenção tem acesso às telas do sistema
inclusive a de Manutenção, porém sem permissão para alteração dos
dados. Também é permitido navegar pelo Windows fechando o aplicativo
do supervisório.
4. Supervisão – O grupo Supervisão tem acesso total às telas. Também é
permitido navegar pelo Windows fechando o aplicativo do supervisório.
5. Engenharia – O grupo Engenharia também tem acesso total ao sistema.
6. WEG – O grupo WEG tem acesso total ao sistema. Usuário restrito a uso
interno da WEG.
68
7.3: Telas Criadas
7.3.1: Tela de Abertura
A tela de abertura utilizada pela WEG possibilita o controle de 9 processos
distintos em apenas um supervisório. Neste caso, futuramente poderá existir a
necessidade de integrar novos processos, entretanto a arquitetura de navegação já
estará pronta. Assim, já existia o projeto Comasa e o presente projeto é a sua
expansão, denominado Comasa 2. Nesta aplicação existem dois botões Comasa e
Comasa2, conforme na Figura 13.
Figura 13 - Tela de Abertura
O Botão Login ativa o pop-up Login, através do qual é possível acessar o
sistema digitando as opções de usuário e senha. Antes de efetuar o Login é
necessário efetuar o Logout. O pop-up é ilustrado na figura 14
Indica a descrição do sistema e
o nome do cliente do projeto.
Botões para seleção do
processo à navegar nas
telas do processo.
Botões de login, logout, retornar,
informações, ajuda, sair do
sistema e escolha de idioma
quando necessário.
69
Figura 14 - Pop-up do Login
O botão de Informações exibe o pop-up que contém informações importantes
sobre o sistema. O botão Ajuda ativa o pop-up no qual é possível visualizar/localizar
alguns manuais. O botão Retornar efetua o retorno à tela visualizada anteriormente
(Tela Principal e Subtela), antes da mudança de contexto. O botão Sair permite que
o usuário feche o sistema de supervisão. Para efetuar este comando é necessário
que o usuário esteja logado como Manutenção, Engenharia ou WEG.
7.3.2: Estrutura das Telas
Todas as telas em decorrência da tela inicial seguirão a seguinte estrutura:
Cada Processo possui nove telas principais (abas) e nove subtelas. O fundo
azul e o texto em negrito indicam qual a Área (aba) e o Subsistema selecionado
(subtela) que estão sendo exibidos na tela. Quando selecionamos uma nova Área
(aba) automaticamente todos os Subsistemas (subtelas) são atualizados, conforme
mostra a figura 15.
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Figura 15 – Tela Padrão
Os botões da barra de “contexto” são assim designados, pois alteram o
contexto das Abas (Telas principais) e Botões (Sub-telas). Cada botão possui três
estados conforme a ação do operador: um estado normal (sem nenhuma ação do
mouse), uma cor de destaque no botão quando o mouse passa sobre o mesmo e
outra cor mais escura quando o botão for selecionado.
Estes botões permitem acesso a algumas telas especiais (Alarmes, Gráficos,
Relatórios, Engenharia e Manutenção) conforme mostrado na figura 16.
Figura 16 - Botões da barra de contexto
1. O botão de Alarmes permite acesso às telas de alarmes OnLine, Históricos e
Eventos.
Sub-telas
Caminho da aplicação:
Nome Processo/Tela
Principal/ Sub-tela.
Telas Principais
de Navegação
Barra de Botões
de Contexto
Barra de status
Objeto de alarmes do
supervisório com filtro
por processo.
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2. O botão de Gráficos permite acesso às telas de gráficos OnLine e históricos.
Nesta mesma tela podem ser configuradas as penas exibidas e salvo as
configurações.
3. O botão de Relatórios permite visualizar as telas de relatórios do processo
atual.
4. O botão de Engenharia permite o acesso às telas que necessitam
configurações e alterações de dados do processo como por exemplo:
parâmetros, PID’s, receitas, etc.
5. O botão de Manutenção permite acesso à arquitetura de automação, status
das redes de comunicação existentes no projeto do supervisório, horímetros,
divisão de carga, etc.
6. O botão de Explorer permite visualizar o mapa de navegação das telas do
processo atual.
7. O botão Iniciar permite acesso à tela de abertura do processo do
supervisório.
8. O botão Retornar retorna à tela visualizada anteriormente (Tela Principal e
Sub-tela) antes da mudança de contexto. O botão Imprimir permite a
impressão da tela atual.
7.3.3: Alarmes e Eventos
Nas telas de Alarmes e Eventos permitem que o usuário visualize os alarmes
ativos e/ou não reconhecidos do sistema, possibilitando que o operador reconheça o
alarme informando ao software que está ciente da ocorrência. Embora todas as
telas possuam uma barra amarela na parte inferior da tela com os alarmes ativos,
esta tela de alarme permite ao operador ter uma visão mais ampla dos alarmes.
Nesta aba existem três telas:
A tela de alarmes online permite que o operador visualize todos os
alarmes que estejam ativos no momento e ou não foram reconhecidos.
A tela do histórico de alarmes permite ao operador consultar o banco de
dados de alarmes ativos em um determinado período.
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A tela de eventos permite visualizar quais comandos foram executados
no supervisório e qual usuário executou cada comando. O supervisório
trata eventos de maneira semelhante aos alarmes embora este não
sejam alarmes propriamente ditos. Esse histórico de eventos permite que
seja feito um estudo em cima das falhas ocorrido, facilitando a
averiguação das decisões do operador diante de uma situação.
Na figura 17 podemos visualizar uma das três telas de alarmes.
Figura 17 - Tela Alarmes Online
7.3.4: Gráficos
As telas de gráficos permitem a monitoração de todas as variáveis do
processo, cada qual com suas respectivas variáveis. Temos dois tipos de gráficos: o
Online, o qual monitora em tempo real os valores das variáveis, e o Histórico, o qual
permite verificar os valores que estavam no passado. Na figura 18 é mostrada uma
tela tipa de gráficos Online.
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Figura 18 - Tela de Gráficos
7.3.5: Engenharia
Nas telas de engenharia é possível visualizar os estados dos controladores
de todo o sistema. Também é permitido fazer alterações nos parâmetros dos
controladores PIDs com o auxílio de recursos gráficos para visualizar a ação do
controlador sobre o processo e alterar os limites de alarme para os sensores
analógicos.
7.3.6: Manejo de Paja
A aba Manejo de Paja mostra ao operador todo o sistema de alimentação de
biomassa através de cinco subtelas. Na primeira, denominada de Transporte,
possibilita visão completa do sistema de transporte de biomassa, onde apresentam-
se as três esteiras de transporte de fardos de palha e também as mesas de
pesagem e o carro transfer, que transfere os fardos da mesa de pesagem para as
linhas de alimentação para a caldeira. Também é possível visualizar os estados das
linhas de alimentação, conforme mostrado na figura 19.
.
74
Figura 19 - Tela Transporte
A seguir apresentam-se as três linhas de alimentação (Izquerda, Derecha e
Central). Será explicado apenas a Central, pois as demais são iguais apenas
mudando as tags envolvidas. Nesta tela é possível acompanhar a entrada da
biomassa na caldeira, a passagem pelo sistema que corta a cinta dos fardos, pelo
desmenuzador que desfaz o fardo e pelas roscas que jogam a palha diretamente
dentro da caldeira. Mostrando a todo o momento para o operador os dados reais do
sistema. Na figura 20 é mostrado a linha central do sistema.
75
Figura 20 - Tela da linha central de alimentação
A última tela dessa aba é a de Refrigeracion (Figura 21), que mostra todo o
circuito de circulação de água de refrigeração pelas linhas de alimentação de
biomassa. Indica também o estado do sistema e seus equipamentos.
Figura 21 - Tela de refrigeração
76
7.3.7: Caldeira
Na Aba da Caldeira podemos verificar todos os equipamentos e estado do
sistema da caldeira como um todo. A primeira tela é a de Água e Vapor (Figura 22),
na qual são apresentadas as informações sobre os elementos envolvidos no fluxo
de água da caldeira. Desta forma, permite que o operador acompanhe a geração de
vapor superaquecido, e caso seja necessário, alterar parâmetros do sistema
associados aos processos de água e vapor da caldeira.
Figura 22 - Tela do sistema de Água e Vapor da caldeira
Posteriormente, é apresentada a tela de Combustión(Figura 23), a qual
mostra ao operador a situação dos equipamentos da caldeira ligados ao combustível
e comburente, bem como todas as medições necessárias da caldeira.
77
Figura 23 - Tela de Combustão da caldeira
Após apresenta-se a tela dos Sopladores Hollín (Figura 24), os quais são os
sopradores de fuligem onde o operador verifica principalmente os dados dos
motores dos sopradores através de cada pop-up individual.
Figura 24 - Tela dos sopradores de fuligem
Na tela seguinte denominada de Ciclo Sopladores (Figura 25), mostra os
ciclos dos sopradores, onde o operador pode parametrizar os ciclos de sopro das
78
fuligens.
Figura 25 - Tela dos ciclos dos sopradores
Na tela posterior Filtro Del Mangas(Figura 26), se tem o Filtro de Mangas que
tem o CLP programando pelo seu próprio fabricante. Desta forma, são exibidas
todas as informações que o fabricante especificou para o supervisório.
Figura 26- Tela filtro de mangas
Na última tela da caldeira tem-se o queimador (Figura 27), processo que
79
também teve o seu CLP programando pelo seu fabricante. Toda e qualquer
mudança deste sistema deve ser feita diretamente pela IHM localizada em seu
gabinete. Desta forma, essa tela apenas mostrará os sinais lidos para que o
operador possa tomar a providência que julgar necessário.
Figura 27 - Tela do Queimador
7.3.8: Serviços Auxiliares
Nesta aba são mostrados os serviços auxiliares do sistema. Primeiramente,
temos a tela Torres de Enfriamento (Figura 28), que consiste nas torres de
resfriamento que são controladas remotamentes pelo CLP do Gerador. Nesta tela o
operador acompanha a situação dos equipamentos da torre e suas medições.
80
Figura 28 - Tela das torres de resfriamento
Na tela de Abastecimento (Figura 29) apresenta-se todo o circuito de
abastecimento de água desde a coleta passando pela planta de osmose em direção
aos tanques de abastecimento. E na tela de Riles (Figura 30) mostra os
equipamentos que irão tratar a água vinda das torres de resfriamento antes de
inserir novamente no sistema.
.
81
Figura 29 - Tela de Abastecimento de água
Figura 30 - Tela de Riles
82
7.3.9: Diagrama unifilares
Figura 31 - Tela diagrama unifilar geral 1
Nesta aba é apresentado todo o diagrama unifilar (Figura 31 e 32) do sistema
mostrando para o operador uma visão geral sobre a distribuição de energia. Desta
forma, também é possível verificar o estado dos principais disjuntores e uma síntese
da leitura dos multimedidores. Além das informações em tela é possível clicar no
multimedidor e visualizar outros valores caso o operador necessite. O diagrama foi
dividido em duas telas para melhora visualização. Nas telas de CCM é possível
visualizar o estado de cada motor do sistema, facilitando a visualização de possíveis
falhas.
83
Figura 32 - Tela diagrama unifilar geral 2
7.3.10: Turbina
O CLP, deste sistema, foi programado pelo seu fabricante, sendo apenas
integrado no sistema conforme especificação do mesmo. Na primeira tela Presión,
Temp y Vibración (Figura 33) são apresentados todos os sinais relevantes para o
operador com relação à temperatura, pressão e vibração da turbina.
Figura 33 - Tela da pressão, temperatura e vibração da turbina.
84
Na tela seguinte temos o circuito de vapor da turbina (Figura 34), tornando
possível para o operador acompanha o estado de todos os equipamentos
envolvidos e visualizar todos os sinais relevantes para o circuito de vapor.
Figura 34 - Tela de vapor da turbina
Posteriormente, temos a tela do condensador de vapor (Figura 35), onde o
operador acompanha o funcionamento do condensador visualizando todos os sinais
e equipamentos envolvidos.
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Figura 35 - Tela do condensador
Por ultimo, a tela de Unidad Hidráulica (Figura 36) mostra o estado das
medições referente lubrificação da turbina.
Figura 36 - Tela do circuito de óleo da turbina
7.3.11: Gerador
Esta aba consiste em uma tela onde é possível monitorar o gerador elétrico
86
(Figura 37). Nesta tela são visualizadas com facilidade todas as medições do
gerador, bem como os seus eventuais alarmes e/ou alarmes de outro subsistema
que interfira no gerador como, por exemplo, TRIP na turbina.
Figura 37 - Tela do Gerador
7.3.12: Controle de Carga
Nesta aba possui apenas uma tela para visualizar os dados dos
equipamentos que fazem o controle de carga, MLSC e o DSLC. Desta forma,
possibilita ao operador acompanhar e monitorar o sincronismo com a rede, bem
como todas as informações de carga do sistema. Na figura 38 podemos visualizar a
tela de controle de carga.
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Figura 38 - Tela de controle de Carga
7.3.13: Arquitetura
Esta aba proporciona a visão da arquitetura de comunicação de todo o
sistema tendo as abas de rede da caldeira, turbina, pátio de alimentação e serviços,
e torres de refrigeração. Para ilustrar apresenta-se a primeira aba com a arquitetura
completa do sistema. Na figura 39 é mostrada umas das telas de arquitetura.
Figura 39 - Tela da arquitetura do sistema
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7.3.14: Relatórios
Na aba Reportes (Figura 40) possibilita ao operador selecionar qual
subsistema ele quer obter o relatório e, posteriormente, ele escolhe o período de
inicio e fim do relatório. Também é possível exportar para o Excel para futura
alteração ou impressão.
Figura 40 - Tela de relatórios
89
Capítulo 8: Conclusões e Perspectivas
O presente trabalho de fim de curso, desenvolvido pelo acadêmico nas
dependências da WEG Automação, é constituído do desenvolvimento de um
sistema supervisório de uma central termoelétrica.
Foi apresentado o sistema de geração de energia com suas respectivas
peculiaridades de funcionamento, os requisitos para as lógicas de controle e o
aspecto final do projeto.
Através da conclusão do desenvolvimento do projeto são feito os testes de
painel em fabrica pela seção de projetos elétricos. Após o painel liberado, iniciou-se
o teste de software. A partir da aprovação o sistema encontra-se pronto para o start-
up que está programado para janeiro de 2014, impossibilitando assim a inclusão do
mesmo neste trabalho.
Todos os prazos predefinidos para cada parte do projeto foram respeitados
sem necessidade de adiamentos nas datas de entrega. Em relação aos desenhos
das telas do supervisório, para considerar a tela como aprovada era necessário
sempre passar primeiro pelo cliente. Após adequar a tela as mudanças sugeridas
estas eram dadas como aprovadas. Houve um grande tempo dispendido em
retrabalho, por existirem omissões da parte do cliente nas especificações de
desenho de tela.
Outra parte do projeto que esteve em constante mudança foi às lógicas do
sistema de alimentação de biomassa, pois não se encontra fisicamente pronta e por
ter passado por inúmeras adaptações fez com que o código do CLP também o
passa-se.
O projeto proporcionou uma experiência de trabalho em equipe, com
engenheiros e com projetistas com grande experiência na área de energia, o que
transformou o trabalho em um grande aprendizado sobre sistemas de geração de
energia. As responsabilidades incumbidas neste trabalho também contribuirão para
um grande crescimento profissional. Além disso a convivência diária em uma seção
com envolvimentos em diversas áreas de atuação com sistemas supervisório
90
contribuiu para um aumento da percepção de novas soluções de projetos.
O desenvolvimento de sistemas de controle é uma tarefa complexa e que
para a ocorrência de pouco retrabalha esta atrelada diretamente a especificações
minuciosas e de utilização de padrão desenvolvido pela seção, pois pode haver a
necessidade de remanejamento de projetos entre os projetistas e quando o projeto
esta feito no padrão correto fica mais compreensivo e fácil desse continuar um
trabalho de outro projetista.
Como perspectiva futura de imediato se tem o start-up do sistema que esta
planejado para janeiro de 2014. Vislumbrando mais a frente poderia se pensar em
mais uma expansão do sistema de geração levando em conta que o sistema
supervisório comporta até nove sistemas é possível a inclusão de mais sete
sistemas de geração de energia neste supervisório Outra parte do projeto que
esteve em constante mudança foi às lógicas do sistema de alimentação de
biomassa, pois não se encontra fisicamente pronta, e por ter passado por inúmeras
adaptações fez com que o código do CLP acompanhasse as mudanças.
O projeto proporcionou uma experiência de trabalho em equipe, com
engenheiros e com projetistas de grande experiência na área de energia. Este fato
transformou o trabalho em um grande aprendizado sobre sistemas de geração de
energia. As responsabilidades incumbidas também contribuirão para um grande
crescimento profissional. Além disso, a convivência diária em uma seção com
envolvimento em diversas áreas de atuação com sistemas supervisório contribuiu
para um aumento da percepção de novas soluções de projetos.
O desenvolvimento de sistemas de controle é uma tarefa complexa. Para a
ocorrência de pouco retrabalho é necessário seguir minuciosamente as
especificações de utilização de padrão desenvolvido pela seção, pois pode haver a
necessidade de remanejamento de projetos entre os projetistas e quando o projeto
está feito no padrão correto, é mais compreensivo e fácil de outro projetista dar
continuidade.
91
Bibliografia:
[1] Lise, G. S., “Desenvolvimento de Firmware para Controle da IHM de um Novo
Inversor de Frequência de Alto Desempenho e Baixo Custo”, Jaraguá do Sul,
SC, 2009, Projeto de Fim de Curso, Graduação em Engenharia de Controle e
Automação, UFSC.
[2] WEG Equipamentos Elétricos S.A., “Manual da Gestão da Qualidade da WEG
Automação”, Jaraguá do Sul, 2013.
[3] Wikipédia / Definição de Automação industrial, Disponível em
<http://pt.wikipedia.org/wiki/Automa%C3%A7%C3%A3o_industrial>,
Acessado em 02/05/2013.
[4] Daneels, Alex; Salter, Wayne. What is SCADA?, Disponível em
<http://ref.web.cern.ch/ref/CERN/CNL/2000/003/scada/>, Acessado em
02/05/2013.
[5] Dayton-Knight Ltd. SCADA Explained, Disponível em
<http://www.dayton-knight.com/Projects/SCADA/scada_explained.htm>,
Acessado em 02/05/2013.
[6] The Free Internet Media. What is SCADA?, Disponível em
<http://www.tech-faq.com/scada.shtml>, Acessado em 02/05/2013.
[7] The OPC Foundation Web Site, Disponível em
<http://www.opcfoundation.org> Acessado em 02/05/2013.
[8] WEG, “Centro de Treinamento de Clientes: Geração e Distribuição de
Energia”, Jaraguá do Sul, SC, 2012.
[9] COMASA Bioenergía Lautaro, “Especificacion Funcional”, Lautaro VIII região
Chile, 2013.
[10] Kosow, Irving I., “Máquina Elétricas e Transformadores”, 14ª Edição, São
Paulo: Editora Globo, 2000.
[11] Altafini, C. R., “Apostila sobre Caldeiras”, Curso de Engenharia Mecânica,
92
UCS, Caxias do Sul, RS, 2002.
[12] Smar. “Instrumentação para Caldeiras”, Sertãozinho, SP, 1997.
[13] VIANNA, W.D.S.; BRINGHENTI, P.M. e MARTINS, L.D.S. Sistema SCADA
Supervisório. Instituto Federal Fluminense de Educação Ciência e
Tecnologia. Campos dos Goytacazes, Rio de Janeiro, 2008.
[14] BEGA, E. A.,”Instrumentação Aplicada ao Controle De Caldeiras”, 3ª Edição,
Rio de Janeiro, RJ, Editora Interciência, 2003
[15] Elipse Software Ltda, “Manual do Usuário E3”,Porto Alegre,26/09/2008.
[16] Allen-Bradley, “SLC500 System Overview”, Milwaukee, USA, 2005.
[17] Woodward, “Master Synchronizer and Load Control Manual”, Stuttgard,
Germany, 2012.
[18] Woodward, “Digital Synchronizer and Load Control Manual”, Stuttgard,
Germany, 2012.
[19] Burin, T. S., “Supervisão e Controle de Sistema de Cogeração de Energia”,
Jaraguá do Sul, SC, 2007, Projeto de Fim de Curso, Graduação em
Engenharia de Controle e Automação, UFSC.
